朱龍飛,　朱建國,　佟文明,　韓雪巖

(1.沈陽工業(yè)大學 國家稀土永磁電機工程技術(shù)研究中心 電氣工程學院,遼寧 沈陽 110870;

2.悉尼科技大學 電氣機械和機電系統(tǒng)學院, 澳大利亞 悉尼 2007)

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非晶合金永磁同步電機空載損耗

朱龍飛1,朱建國2,佟文明1,韓雪巖1

(1.沈陽工業(yè)大學 國家稀土永磁電機工程技術(shù)研究中心 電氣工程學院,遼寧 沈陽 110870;

2.悉尼科技大學 電氣機械和機電系統(tǒng)學院, 澳大利亞 悉尼 2007)

摘要:為了研究電機鐵心加工工藝對非晶合金材料磁化和損耗性能的影響,實驗實測了非晶合金鐵心的磁化性能和損耗性能,通過分析非晶合金鐵心損耗測試結(jié)果,得出了鐵耗計算模型中磁滯損耗系數(shù)隨頻率變化的修正方法。研制了兩臺相同結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)的永磁同步電機,定子鐵心分別采用非晶合金材料和35W270硅鋼片,對比分析了兩臺電機在正弦波和變頻器供電情況下的空載損耗。結(jié)果顯示,正弦波供電時,非晶合金電機的空載損耗僅為硅鋼片電機的45%,但由于非晶合金電機在變頻器供電時,時間諧波電流含量高于硅鋼片電機,由此引起的諧波損耗大于硅鋼片電機。

關(guān)鍵詞:非晶合金鐵心; 永磁電機; 空載損耗; 硅鋼片電機; 磁化曲線

朱建國(1958—)，男，教授，博士生導師，研究方向為電工磁性材料和新型電驅(qū)動系統(tǒng)；

佟文明(1984—)，男，博士，講師，研究方向為特種電機及其控制；

韓雪巖(1978—)，女，博士，副教授，研究方向為特種電機及其控制。

0引言

節(jié)能已經(jīng)成為當今最熱門的話題之一,由于電動機是電能的消耗大戶,電動機的節(jié)能技術(shù)也得到了越來越多的關(guān)注。開發(fā)低損耗、高效率的電機將在一定程度上緩解全球能源危機和環(huán)境問題。

隨著電機設(shè)計技術(shù)、材料技術(shù)和工藝技術(shù)的發(fā)展,采用新型低損耗材料替代傳統(tǒng)冷軋硅鋼片材料制作電機鐵心成為提高電機效率便捷且有效的途徑之一[1]。非晶合金作為一種新型軟磁材料,其最典型的特性就是損耗極低。非晶合金帶材的單片厚度很薄,僅有0.03 mm,為傳統(tǒng)0.35 mm冷軋硅鋼片帶材的1/11,且非晶合金材料的電阻率為130 μΩ/cm,是傳統(tǒng)冷軋硅鋼片的3倍。由于電機鐵心疊片的渦流損耗與疊片厚度平方成正比,與疊片電阻率成反比[2],采用非晶合金材料替代傳統(tǒng)冷軋硅鋼片材料制作電機鐵心可有效降低電機的鐵耗,特別是在高頻、高速電機鐵心中,降耗效果更為明顯。這是由于高頻、高速電機中鐵耗占總損耗的比重很大[3],且由于廣泛采用弱磁控制策略,會使電機的負載鐵耗增加[4]。有資料顯示,鐵心采用非晶合金材料的電機,其鐵心損耗相比于采用傳統(tǒng)冷軋硅鋼片材料的電機降低約50%～80%[5-7]。但上述文章只利用有限元或理論計算的方法分析了正弦波供電時的非晶合金電機的鐵耗,并沒有對比分析正弦波供電和變頻器供電時非晶合金電機和硅鋼片電機的各部分空載損耗比例。非晶合金材料雖然有損耗性能好的優(yōu)點,但在電機領(lǐng)域應(yīng)用的卻很少,這是因為非晶合金材料薄、脆、硬,不能采用傳統(tǒng)硅鋼片沖剪加工方法,只能采取線切割、銑削、光化學腐蝕等加工,但是加工對非晶合金損耗性能的影響目前仍沒有明確的定量分析。

基于以上研究現(xiàn)狀,本文利用實驗實測了加工后非晶合金鐵心的損耗曲線,分析了疊壓和線切割加工對非晶合金帶材磁化性能和損耗性能的影響規(guī)律。提出了一種變磁滯損耗系數(shù)的鐵耗計算模型,利用實驗實測的電機空載損耗數(shù)據(jù)對該模型計算結(jié)果進行了驗證。對比分析了正弦波和變頻器供電情況下非晶合金電機和硅鋼片電機的空載損耗。

1非晶合金鐵心磁特性的測量

1.1　非晶合金鐵心試樣

非晶合金鐵心試樣如圖1(a)所示,鐵心是由日立公司生產(chǎn)的Metglas 2605SA1 帶材疊壓加工而成,疊壓系數(shù)為0.9,鐵心開槽工藝為線切割。測試時,在鐵心軛部分別繞上激勵和測試線圈,如圖1(b)所示。激勵線圈與正弦激勵電源和功率表連接,為鐵心試樣提供磁通的同時記錄激勵線圈中輸入測試系統(tǒng)的功率。測試線圈與示波器和功率表連接,通過測試線圈的反電勢折算鐵心試樣中的磁通密度,激勵和測試線圈的匝數(shù)比為80/40。

圖1　非晶合金鐵心試樣

1.2　實驗線路及方法

圖2為非晶合金鐵心磁特性測試的實驗線路圖,圖3所示為測試的原理圖。正弦激勵源連接激勵線圈給鐵心勵磁,其頻率調(diào)節(jié)范圍為265～550 Hz。利用數(shù)字功率表記錄激勵線圈的勵磁電流和測試線圈的反電動勢以及激勵線圈的輸入功率,利用示波器監(jiān)測測試線圈的反電動勢波形,保證其為正弦波。分別在266.7 Hz、300 Hz、350 Hz、400 Hz、450 Hz、500 Hz、550 Hz頻率下測量兩種鐵心的損耗曲線,且磁密測試范圍為0～1.35 T(0～0.7 T時,間隔為0.1 T;0.7～1.35 T時,間隔為0.05 T)。

圖2　實驗線路圖

圖3　實驗原理圖

1.3　實驗結(jié)果及討論

1.3.1磁化性能

本文將加工后的非晶合金鐵心磁化性能測試數(shù)據(jù)與非晶合金帶材及35W270硅鋼片帶材的性能進行了對比,如表1和圖4、圖5所示。

表1非晶合金鐵心和帶材的磁化性能對比

Table 1Comparing of magnetism performances of

amorphous alloy core and amorphous

alloy strip

H/(A·m-1)B/T非晶合金帶材非晶合金鐵心101.420.11301.450.44801.470.71

注:非晶合金帶材數(shù)據(jù)來自metglas公司官網(wǎng)[8]。

圖4　磁化曲線對比

圖5　相對磁導率對比

由表1可知,與非晶合金帶材相比,加工后鐵心的磁化性能嚴重惡化,磁導率下降,飽和磁密下降,非晶合金帶材的飽和磁密可達1.4以上,而加工后的鐵心的飽和磁密僅為1.2左右。從圖4和圖5可以看出,35W270硅鋼片帶材的飽和磁密大于非晶合金鐵心,磁密較低的時候非晶合金鐵心磁導率遠遠高于硅鋼片帶材,但在電機常用的磁密段,非晶合金鐵心的磁導率卻低于硅鋼片帶材。

1.3.2鐵心損耗性能

非晶合金加工后鐵心損耗曲線的測試值如圖6所示。為了進一步研究非晶合金鐵心加工后相比于非晶合金帶材損耗性能的變化,對比了400 Hz情況下兩者的損耗曲線以及35W270硅鋼片帶材的損耗性能,如圖7所示。

圖6　非晶合金鐵心損耗曲線測試值

圖7　400 Hz時損耗密度對比

由圖7可以看出,在磁密為1T時,非晶合金鐵心和非晶合金帶材的損耗密度分別為11.46 W/kg和1.50 W/kg,非晶合金鐵心的損耗密度為非晶合金帶材的7.64倍。由此可知,非晶合金帶材加工成鐵心后,其損耗特性將會嚴重惡化。而與傳統(tǒng)冷軋硅鋼片相比,加工后非晶合金鐵心的損耗密度仍小于硅鋼片帶材的損耗密度。在磁密為1T時,非晶合金鐵心的損耗密度僅為35W270冷軋硅鋼片帶材的61%。由此可知,采用非晶合金鐵心代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅鋼片鐵心可有效降低電機的鐵耗。

2變磁滯損耗系數(shù)鐵耗計算模型

在電機設(shè)計初期,準確計算電機的鐵耗可以為非晶合金電機的合理設(shè)計提供依據(jù)。但由于鐵心加工工藝、諧波、旋轉(zhuǎn)磁化和磁密分布不均勻等影響因素的存在,增加了鐵耗的計算難度。因此,選擇合適的鐵耗計算模型和計算方法顯得尤為重要。目前最為常用的鐵耗計算模型如式(1)所示。

(1)

該損耗計算模型適用于正弦交變磁通情況下帶材的損耗,無法計及實際電機鐵心加工工藝、鐵心中諧波和旋轉(zhuǎn)磁化帶來的影響。且該模型在使用時通常認為Kh、α為常量,不隨頻率的變化而變化。由此可知,利用式(1)計算電機鐵心損耗時,將帶來很大誤差。

2.1　變磁滯損耗系數(shù)

鐵耗計算模型中的渦流損耗系數(shù)可直接由非晶合金材料屬性計算得出,其值為1.1×10-7。由此通過1.3.2節(jié)中測試的非晶合金鐵心損耗曲線即可分離出不同頻率下非晶合金鐵心的磁滯損耗,利用非線性回歸的方法即可得出非晶合金鐵心的磁滯損耗系數(shù)Kh和α隨頻率的變化關(guān)系,如圖8所示。

圖8　Kh和α隨頻率變化關(guān)系

由圖8可以看出,隨著頻率的增加,Kh線性增加,α的變化很小。因此,在266.7～550 Hz頻率范圍內(nèi),α可取平均值,為1.78,Kh可由式(2)計算得出。

Kh=0.00005f+0.006。

(2)

2.2　考慮諧波和旋轉(zhuǎn)磁化影響

對于諧波磁密對電機鐵耗的影響,文獻中采取的方法是將鐵心中的非正弦磁密波形傅里葉分解成基波和各次諧波的形式,并分別將基波和各次諧波的磁密幅值和相應(yīng)的諧波頻率代入到式(1)中計算后求和[9-11]。對于旋轉(zhuǎn)磁化對電機鐵耗的影響,J.G.ZHU教授等人以大量實驗數(shù)據(jù)為依據(jù),采用非線性擬合的方法,建立了旋轉(zhuǎn)磁化損耗模型[12],并提出了旋轉(zhuǎn)磁化鐵耗的計算方法[13]。但是,旋轉(zhuǎn)磁化測量儀器十分稀有,實驗成本高,難于被推廣。之后,B.STUMBERGER等人提出了正交分解旋轉(zhuǎn)磁化計算模型,由于其計算簡便,被廣泛使用[14]。由此,適用于該非晶合金電機的變磁滯損耗計算模型為

(3)

式中:ν為諧波次數(shù);Bνmaj和Bνmin分別為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁化長、短軸ν次諧波磁密幅值。

3非晶合金電機空載鐵耗計算及驗證

本文以一臺表貼式非晶合金永磁同步電動機為例(電機的詳細參數(shù)見表2),計算了其在正弦波和變頻器供電情況下不同轉(zhuǎn)速時的空載損耗,并將計算結(jié)果與實驗實測結(jié)果進行了對比。非晶合金電機空載損耗的計算流程為:首先利用示波器記錄電機在正弦波供電和變頻器供電時的空載實驗電流波形,并將電流波形導入到有限元軟件中;然后利用有限元軟件仿真得出定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心不同位置的磁通密度波形,并將其諧波分析;最后將各點磁密波形的各次諧波分量分別代入到變磁滯損耗系數(shù)鐵耗計算模型中計算電機鐵心損耗,對于永磁體渦流損耗,直接采用有限元計算結(jié)果。圖9所示為采用上述變磁滯損耗系數(shù)鐵耗計算模型計算得出的空載損耗結(jié)果和實驗實測空載損耗結(jié)果的對比。

由圖9可知,電機在不同轉(zhuǎn)速情況下,采用變磁滯損耗系數(shù)鐵耗計算模型的空載損耗計算結(jié)果與實驗結(jié)果相近,可以滿足工程精度的要求。但計算結(jié)果普遍低于實驗結(jié)果,分析原因為實驗測試的損耗密度數(shù)據(jù)為軛部寬度下的損耗密度,用該損耗密度數(shù)據(jù)計算寬度更小、損耗密度更大的齒部的空載損耗時,計算結(jié)果將偏小。

表2　表貼式永磁同步電機性能指標

圖9　空載鐵耗對比

4與硅鋼片電機空載損耗對比分析

為了對比采用非晶合金鐵心和硅鋼片鐵心電機的空載損耗,研制了兩臺功率等級和結(jié)構(gòu)尺寸均相同的電機,兩臺電機的定子鐵心材料分別為日立公司生產(chǎn)的Metglas 2605SA1帶材和35W270冷軋硅鋼片帶材。兩臺電機的空載損耗數(shù)據(jù)是在相同的實驗條件下測試得出的,即采用同一套機組和同一臺變頻器驅(qū)動。兩臺電機空載損耗的計算均采用變磁滯損耗系數(shù)模型,對于硅鋼片電機,變磁滯損耗系數(shù)是通過廠家提供的不同頻率下的35W270損耗密度曲線經(jīng)過非線性擬合得來的,方法與非晶合金磁滯損耗系數(shù)擬合方法相同,在此再贅述。圖10所示為兩種電機的空載損耗對比。

圖10　兩種電機空載損耗對比

從圖10中可以看出,正弦波電壓供電時,兩種電機的空載損耗主要是定子鐵耗,且非晶合金電機的空載損耗小于硅鋼片電機,僅為硅鋼片電機空載損耗的43.5%。變頻器供電時,非晶合金電機定子鐵心損耗相對于正弦波供電情況下增加了48.8%(即增加了18.7 W),永磁體渦流損耗增加了19.63倍(即增加了31.8 W),而硅鋼片電機的定子鐵心損耗和永磁體渦流損耗僅分別增加了9.8%(即增加了7.3 W)和6.67倍(即增加了14.0 W)。變頻器供電時非晶合金電機的空載損耗為硅鋼片電機的89.0%。由此可知,非晶合金電機由于變頻器供電所引起的諧波損耗大于硅鋼片電機。諧波損耗是由變頻器供電波形中高次諧波電流引起的,為此,圖11對兩種電機空載實驗電流波形諧波進行了分析。從圖11中可以看出,諧波主要集中在30次、60次和90次附近,這是由于變頻器的開關(guān)頻率為8 000 Hz,電機的運行頻率為266.7 Hz,非晶合金電機電流時間諧波含量大于硅鋼片電機。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是非晶合金材料的磁導率低于硅鋼片,如圖5所示,則非晶合金電機的電感小于硅鋼片電機。電感越大,電流的變化將越平緩,電流的諧波分量也將越低。因此,在設(shè)計非晶合金電機時,可適當增加繞組匝數(shù)來增加電感,降低電機由于變頻器電流時間諧波引起的諧波損耗。

圖11　兩種電機的電流時間諧波分析圖

5結(jié)論

本文研制了兩臺相同結(jié)構(gòu)尺寸的非晶合金和硅鋼片定子的永磁同步電機。測試了非晶合金電機鐵心的磁化性能和損耗性能,并以測試數(shù)據(jù)為依據(jù),得出隨頻率變化的磁滯損耗系數(shù)修正方法。對比分析了非晶合金電機和硅鋼片電機在正弦波電壓和變頻器供電情況下的空載損耗,得出以下結(jié)論:

1)加工后的非晶合金鐵心的磁化性能和損耗性能惡化嚴重,鐵心的飽和磁密及磁導率均低于非晶合金帶材;鐵心的損耗密度大幅增加,400 Hz,1T時鐵心的損耗密度為非晶合金帶材的7.64倍,但仍低于35W270硅鋼片帶材的損耗密度,僅為其損耗密度的0.61。

2)正弦波電壓供電時,非晶合金電機的空載損耗僅為硅鋼片電機的43.5%。但由于非晶合金電機的電感小于硅鋼片電機,非晶合金電機變頻器供電電流時間諧波含量高于硅鋼片電機,高次時間諧波引起的諧波損耗大于硅鋼片電機。變頻器供電情況下,非晶合金電機的空載損耗增加了52.2 W,而硅鋼片電機的空載損耗僅增加了24.1 W,非晶合金電機的總空載損耗為硅鋼片電機的89.0%。因此,為了減小變頻器電流時間諧波所引起的諧波損耗,應(yīng)對非晶合金電機的繞組進行優(yōu)化設(shè)計,其繞組形式將不同于傳統(tǒng)硅鋼片電機,針對這部分內(nèi)容,將在以后的文章中詳細研究。

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(編輯：劉琳琳)

Study on no-load losses of permanent magnet synchronous motor with amorphous alloy stator core

ZHU Long-fei1,ZHU Jian-guo2,TONG Wen-ming1,HAN Xue-yan1

(1.School of Electrical and Engineering, National Engineering Research Center for Rare-earth Permanent Magnetic

Machines, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China;2. School of Electrical Mechanical and

Mechatronic System, University of Technology Sydney, Sydney 2007, Australia)

Abstract:In order to research the influences of stator processing to the magnetic and loss characteristics of amorphous alloy material, both magnetic and loss performances of amorphous alloy stator core were measured. Correction method of hysteresis loss coefficient versus frequency was obtained by summering the loss measured results. Two motors with amorphous alloy and 35W270 silicon steel stators were produced with the same parameters, no-load losses of these two motors were compared in sinusoidal voltage and inverter supply conditions. The results show that, no-load loss of amorphous alloy motor is 45 percent of the silicon steel motor with sinusoidal voltage supply, but because of the time harmonics of amorphous alloy motor is much than silicon steel motor under inverter supply, additional no-load loss caused by time harmonics in amorphous alloy motor is much more than that in the silicon steel motor.

Keywords:amorphous alloy stator core; permanent magnet motor; no-load loss; steel sheet motor; magnetization curves

通訊作者:朱龍飛

作者簡介:朱龍飛(1988—)，男，博士研究生，研究方向為特種電機及其控制；

基金項目：國家科技支撐計劃項目(2013BAE08B00)；國家自然科學基金 (51307111)；遼寧省教育廳科學技術(shù)研究項目(L2013049)

收稿日期:2014-10-31

中圖分類號:TM 351

文獻標志碼:A

文章編號:1007-449X(2015)07-0021-06

DOI:10.15938/j.emc.2015.07.004