王凱東，孫寧

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非晶合金電機(jī)空載鐵耗研究

王凱東，孫寧

（沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110876）

為了體現(xiàn)非晶合金低損耗性能的優(yōu)越性，對一臺15 kW、1 000 Hz電機(jī)進(jìn)行空載鐵耗仿真計(jì)算分析，電機(jī)定子鐵心為非晶合金材料，定子鐵心采用浸漆、固化加工工藝。電機(jī)空載鐵耗的計(jì)算主要包括非晶定子基本鐵耗的分離以及空載雜散損耗的計(jì)算，得出了非晶合金電機(jī)雜散損耗是基本鐵耗的6.03倍。

非晶合金；永磁電機(jī)；空載鐵耗；軟磁材料

1 引言

非晶合金材料是新型軟磁材料，能夠節(jié)省普通冷軋金屬制造工藝的部分工藝，節(jié)約能源，數(shù)據(jù)推算生產(chǎn)1 kg非晶合金材料比生產(chǎn)相同質(zhì)量的冷軋硅鋼片能夠節(jié)約1 L石油。非晶合金帶材的磁導(dǎo)率在約為普通硅鋼的6倍，與傳統(tǒng)的硅鋼材料相比較其電阻率更高，厚度更薄，用作鐵心材料能夠?qū)㈣F損降低70%～90%，因此用非晶合金材料作電機(jī)鐵心能夠提高電機(jī)的效率。本文針對一臺15 kW、1 000 Hz采用非晶合金定子的電主軸電機(jī)進(jìn)行分析，分離了電機(jī)的空載基本鐵耗，綜合考慮旋轉(zhuǎn)磁場和交變磁場的影響，分析并計(jì)算了定子鐵心損耗，總結(jié)了鐵耗修正系數(shù)，能夠?yàn)榉蔷Ш辖鹩来烹姍C(jī)設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 空載鐵耗分析方法

根據(jù)諧波分析原理，電機(jī)內(nèi)任意點(diǎn)磁通密度的波形可以分解為一系列諧波分量，任意磁場的波形下產(chǎn)生的鐵耗等于其基波和各次諧波分量產(chǎn)生的鐵耗之和。對于次諧波的橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場，能夠分解為長軸磁通密度為vmax、短軸磁通密度為vmin的兩個(gè)交變磁場，橢圓旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的損耗可以等效為兩個(gè)正交的交變損耗。

定子鐵心磁滯損耗為：

經(jīng)典渦流損耗為：

式（1）（2）中：h為磁滯損耗系數(shù)；e為經(jīng)典渦流損耗系數(shù)。

通過時(shí)步有限元法對磁場分析，得到定子鐵心單個(gè)周期內(nèi)各個(gè)單元磁通密度矢量的變化，由式（1）和式（2）得到第個(gè)單元單位質(zhì)量鐵心鐵耗如下：

j=hj+ej. （3）

總鐵耗等于各單元的鐵耗之和，公式為：

式（4）中：為鐵心長；j為第個(gè)單元的單位質(zhì)量鐵心損耗；為鐵心疊片密度；△j為第個(gè)單元的面積。

根據(jù)三維渦流場有限元分析，假設(shè)電機(jī)內(nèi)部電磁場是準(zhǔn)靜態(tài)場，如果忽略位移電流和定子電樞繞組電流的不均勻效應(yīng)，根據(jù)麥克斯韋電磁理論可以建立電機(jī)三維瞬態(tài)電磁場模型，得到永磁體內(nèi)的渦流密度表達(dá)式：

式（5）中：為電流密度；為電導(dǎo)率；，為標(biāo)量磁位與矢量磁位。

進(jìn)而得出永磁體內(nèi)渦流損耗為：

式（6）中：為計(jì)算時(shí)間；為永磁體體積。

3 非晶合金電機(jī)空載鐵耗計(jì)算

非晶合金帶材的厚度僅為0.025 mm，鐵耗模型的損耗系數(shù)與硅鋼片不同，而且經(jīng)過加工的非晶合金鐵心損耗系數(shù)會發(fā)生較大變化。因此，首先根據(jù)鐵耗分離模型，通過最小二乘法對多個(gè)頻率下非晶合金鐵心鐵耗系數(shù)做非線性擬合，如圖1所示。由非線性擬合分析結(jié)果得出相應(yīng)的損耗系數(shù)：磁滯損耗系數(shù)h=9.688×10-3，渦流損耗系數(shù)e=1.563×10-5.

3.1 定轉(zhuǎn)子鐵心損耗

通過有限元方法分析非晶合金電機(jī)鐵心損耗，如圖2所示。由圖2可以得出，施加空載電流時(shí)產(chǎn)生的定、轉(zhuǎn)子鐵心損耗為97.67 W，其主要包括空載電流諧波引起的損耗增量、定子開槽引起氣隙磁導(dǎo)不均勻所引起的損耗增量、永磁體磁場空間分布非正弦所引起的損耗增量以及加工后引起的損耗增量。

圖1 非晶合金鐵心損耗系數(shù)擬合曲線

圖2 空載定轉(zhuǎn)子鐵心損耗

3.2 永磁體渦流損耗

對非晶合金電機(jī)永磁體渦流損耗進(jìn)行三維有限元分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 永磁體渦流損耗

由圖3可以得出，施加空載電流時(shí)產(chǎn)生的永磁體渦流損耗為8.86 W，主要為空載電流諧波引起的損耗增量和定子開槽引起氣隙磁導(dǎo)不均勻引起的損耗增量。

3.3 結(jié)構(gòu)件中的渦流損耗

本文為了研究非晶合金修正系數(shù)，計(jì)算了電機(jī)臨近結(jié)構(gòu)件損耗，該損耗主要由于電機(jī)漏磁場引起，利用有限元對電機(jī)端蓋、機(jī)殼、擋板、軸承進(jìn)行計(jì)算，得到在結(jié)構(gòu)件中損耗為12.90 W。

通過對非晶電機(jī)不同部分空載時(shí)的損耗進(jìn)行分析，得到電機(jī)空載的損耗分布如表1所示。從表1計(jì)算結(jié)果可以看出，電機(jī)空載總損耗為120.99 W，而基本鐵耗為20.05 W。非晶定子鐵心采用浸漆、固化加工工藝時(shí)空載損耗是非晶基本鐵耗的6.03倍，用非晶帶材計(jì)算鐵耗時(shí)，鐵耗的修正系數(shù)與硅鋼片的修正系數(shù)不同，非晶合金的鐵耗修正系數(shù)相比較硅鋼片大得多。

表1 非晶電機(jī)各部分空載損耗表

損耗位置定子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心永磁體結(jié)構(gòu)件 損耗/W97.671.588.8412.90

4 結(jié)論

通過對非晶合金電機(jī)和硅鋼片電機(jī)空載鐵耗的仿真計(jì)算，得到非晶合金電機(jī)的空載鐵耗為電機(jī)基本鐵耗的6.03倍，非晶合金鐵耗的修正系數(shù)已不同于硅鋼電機(jī)。

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2095－6835（2019）07－0068－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.068

王凱東（1981—），男，工程師，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕