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(中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西永濟(jì)044502)

0 引言

非晶合金是采用快速凝固技術(shù)，使合金中的原子來(lái)不及進(jìn)行有序排列，保持無(wú)限狀態(tài)，堆積在一起，這種特殊處理方法不存在成分偏析和局部變形產(chǎn)生的晶界，因此妨礙磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的壁壘能量較低，使得合金具有高的磁導(dǎo)率以及較小的矯頑力等優(yōu)點(diǎn)，采用非晶合金作為電機(jī)鐵心材料，可使電機(jī)的效率得到很大提高、達(dá)到大幅度節(jié)約能量目的，對(duì)于解決今天能源危機(jī)和環(huán)境污染現(xiàn)狀非常重要。但是非晶合金材料相對(duì)普通硅鋼片，材料硬、脆而且薄的物理特性，使非晶合金鐵心加工工藝難度較大，目前成功產(chǎn)業(yè)化的電機(jī)是軸向磁通結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)，這種電機(jī)存在三維磁場(chǎng)，需對(duì)其參數(shù)進(jìn)行求解，因此推導(dǎo)電機(jī)氣隙磁密計(jì)算方法對(duì)于電機(jī)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。

1 非晶合金電機(jī)

現(xiàn)階段，非晶合金電機(jī)研究面臨兩個(gè)難點(diǎn)：一是材料的選擇；二是電機(jī)鐵心的加工手段。目前非晶合金軟磁材料一共分四大類：鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金以及鐵基納米晶合金，鐵基非晶體合金鐵損為硅鋼片的1/3,厚度為0.03mm，廣泛用于配電變壓器、逆變器鐵心，10kHz以下頻率環(huán)境應(yīng)用；鐵鎳基非晶體合金磁性較弱，價(jià)格較貴，但是導(dǎo)磁率高，主要用在高要求的中低頻變壓器鐵心；鈷基非晶合金由于含有鈷，因此價(jià)格很貴，但是磁導(dǎo)率高，主要用在軍工場(chǎng)所的變壓器和電感器上；鐵基納米晶合金是超納米合金，主要用在接口變壓器和數(shù)字濾波器上。

非晶合金電機(jī)鐵心的加工方法有整體法和組合法兩種。整體法也有兩種方法，整體法(一)如圖1所示，將預(yù)成型的環(huán)形鐵心經(jīng)過(guò)退火、浸漆和固化處理，再在銑刀的切削下加工成鐵心。整體法(二)如圖2所示，非晶帶材先切割成片狀，讓后疊加在一起，整體退火、浸漆、固化處理，最后切割成鐵心。

圖1 LE公司鐵心加工示意圖

圖2 鐵心加工示意圖

組合法是將非晶帶材疊加，然后切割成弓形非晶體塊，如圖3所示，最后將多個(gè)非晶體塊組合成鐵心。

圖3 弓形非晶體塊

2 氣隙磁密計(jì)算

本部分基于多環(huán)等效模型，在變頻器供電情況下，推導(dǎo)電機(jī)氣隙磁密計(jì)算方法，構(gòu)建軸向磁通非晶合金永磁電機(jī)的鐵耗和諧波損耗的計(jì)算模型。

2.1 多環(huán)等效模型

圖4為永磁電機(jī)的一個(gè)單元電機(jī)，按徑向方向，將電機(jī)的電樞長(zhǎng)度等分成N分，見(jiàn)圖5所示，取出其中一層并展開(kāi)成二維模型，見(jiàn)圖6，通過(guò)解析法計(jì)算氣隙磁密，在二維模型基礎(chǔ)上推導(dǎo)定、轉(zhuǎn)子鐵心損耗的計(jì)算方法，見(jiàn)圖7將每環(huán)的損耗密度進(jìn)行積分，最終得出N環(huán)的總鐵耗和諧波損耗。

圖4 一個(gè)單元電機(jī)模型

圖5 分層模型

圖6 二維模型

圖7 每環(huán)的損耗模型

2.2 氣隙磁密計(jì)算

2.2.1 定子繞組磁動(dòng)勢(shì)

本文基于單相逆變電路，分析PWM 逆變器的輸出相電壓，推導(dǎo)了加載在電機(jī)繞組兩端時(shí)繞組內(nèi)電流，將電流波形作為激勵(lì)源，計(jì)算其產(chǎn)生的定子繞組磁動(dòng)勢(shì)和氣隙磁密。如圖8所示，單相PWM逆變電路，其中UC載波，U1調(diào)制波。

變頻器輸出的單相電壓uφ(t)可表示為

(1)

對(duì)uφ(t)進(jìn)行傅立葉分解，經(jīng)整理可得

(2)

式中，NCω—載波角頻率，NC—載波比，第一項(xiàng)是輸出電壓基波，第二項(xiàng)是輸出電壓諧波。

將n分為奇數(shù)和偶數(shù)兩類情況，對(duì)諧波電壓進(jìn)行討論。

根據(jù)電壓平衡方程式

(3)

忽略電機(jī)負(fù)載以及內(nèi)部損耗影響，根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)可整理出變頻器供電時(shí)，電機(jī)定子繞組內(nèi)三相電流如下

(4)

相繞組磁動(dòng)勢(shì)為

(5)

因此，合磁動(dòng)勢(shì)為

(6)

2.2.2 永磁體勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)

永磁體產(chǎn)生的氣隙磁動(dòng)勢(shì)如圖9所示，為

(7)

圖9 氣隙磁動(dòng)勢(shì)

2.2.3 氣隙磁導(dǎo)

本文采用文獻(xiàn)[2]中的卡特系數(shù)Kcm

(8)

計(jì)算一個(gè)齒距下的氣隙磁密，再將電機(jī)氣隙磁導(dǎo)λ、氣隙磁密b和磁動(dòng)勢(shì)f帶入，得出氣隙磁導(dǎo)表達(dá)式，最后進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，可得出氣隙磁導(dǎo)為

(9)

式中，n—磁導(dǎo)諧波次數(shù)；Z1—定子槽數(shù)。

2.2.4 氣隙磁密

根據(jù)磁路分析原理，永磁電機(jī)的氣隙磁密為

b(θ,t)=[fs(θ,t)+fm(θ,t)]λ(θ)

(10)

3 氣隙長(zhǎng)度對(duì)鐵耗影響

3.1 對(duì)定子繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波的影響

依據(jù)磁路分析，計(jì)算電機(jī)電感參數(shù)隨氣隙長(zhǎng)度的變化關(guān)系，如圖10所示為7kW軸向磁通非晶合金永磁電機(jī)，隨著氣隙長(zhǎng)度增加電感下降，大約下降45%。

圖10 電感參數(shù)與氣隙長(zhǎng)度關(guān)系

氣隙長(zhǎng)度不同引起的電感參數(shù)變化，導(dǎo)致定子繞組對(duì) PWM 逆變器輸出的高次諧波電壓產(chǎn)生的抑制效果出現(xiàn)差異，定子繞組的高次諧波電流幅值不同，研究7kW軸向磁通非晶合金永磁電機(jī)，結(jié)果顯示如圖11，當(dāng)氣隙長(zhǎng)度增加，定子繞組中電流諧波幅值變大，電流波形畸變率增加。

圖11 電流波形畸變率與氣隙長(zhǎng)度關(guān)系

圖12 定子繞組諧波電流幅值與氣隙長(zhǎng)度關(guān)系

諧波電流會(huì)產(chǎn)生諧波磁動(dòng)勢(shì)，兩者呈線性正比例關(guān)系，同時(shí)諧波磁動(dòng)勢(shì)在電機(jī)氣隙內(nèi)產(chǎn)生諧波磁密，如圖13所示，定子繞組諧波磁動(dòng)勢(shì)引起的氣隙磁密幅值隨氣隙長(zhǎng)度的變化關(guān)系，當(dāng)氣隙長(zhǎng)度的變大，氣隙磁密諧波幅值下降。

圖13 氣隙磁密諧波幅值與與氣隙長(zhǎng)度關(guān)系

3.2 對(duì)鐵耗影響

計(jì)算了7kW軸向磁通非晶合金永磁電機(jī),結(jié)果如圖14所示,氣隙長(zhǎng)度增加，由永磁體勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)諧波引起的定子鐵心損耗和氣隙磁導(dǎo)諧波產(chǎn)生的永磁體渦流損耗皆呈現(xiàn)下降規(guī)律。

圖14 損耗與氣隙長(zhǎng)度關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

節(jié)能環(huán)保已經(jīng)是全球共同需要解決的問(wèn)題，面對(duì)日益萎縮的能源，高效節(jié)能的電機(jī)必然成為發(fā)展所趨，在此，非晶合金電機(jī)在這些方面存在著巨大的潛力，只有充分發(fā)掘其節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)，才能更好地服務(wù)于本行業(yè)的發(fā)展。