气隙对非晶合金电机性能影响分析

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(中车永济电机有限公司，山西永济044502)

0 引言

非晶合金是采用快速凝固技术，使合金中的原子来不及进行有序排列，保持无限状态，堆积在一起，这种特殊处理方法不存在成分偏析和局部变形产生的晶界，因此妨碍磁矩转动的壁垒能量较低，使得合金具有高的磁导率以及较小的矫顽力等优点，采用非晶合金作为电机铁心材料，可使电机的效率得到很大提高、达到大幅度节约能量目的，对于解决今天能源危机和环境污染现状非常重要。但是非晶合金材料相对普通硅钢片，材料硬、脆而且薄的物理特性，使非晶合金铁心加工工艺难度较大，目前成功产业化的电机是轴向磁通结构的永磁电机，这种电机存在三维磁场，需对其参数进行求解，因此推导电机气隙磁密计算方法对于电机设计非常关键。

1 非晶合金电机

现阶段，非晶合金电机研究面临两个难点：一是材料的选择；二是电机铁心的加工手段。目前非晶合金软磁材料一共分四大类：铁基、铁镍基、钴基非晶合金以及铁基纳米晶合金，铁基非晶体合金铁损为硅钢片的1/3,厚度为0.03mm，广泛用于配电变压器、逆变器铁心，10kHz以下频率环境应用；铁镍基非晶体合金磁性较弱，价格较贵，但是导磁率高，主要用在高要求的中低频变压器铁心；钴基非晶合金由于含有钴，因此价格很贵，但是磁导率高，主要用在军工场所的变压器和电感器上；铁基纳米晶合金是超纳米合金，主要用在接口变压器和数字滤波器上。

非晶合金电机铁心的加工方法有整体法和组合法两种。整体法也有两种方法，整体法(一)如图1所示，将预成型的环形铁心经过退火、浸漆和固化处理，再在铣刀的切削下加工成铁心。整体法(二)如图2所示，非晶带材先切割成片状，让后叠加在一起，整体退火、浸漆、固化处理，最后切割成铁心。

图1 LE公司铁心加工示意图

图2 铁心加工示意图

组合法是将非晶带材叠加，然后切割成弓形非晶体块，如图3所示，最后将多个非晶体块组合成铁心。

图3 弓形非晶体块

2 气隙磁密计算

本部分基于多环等效模型，在变频器供电情况下，推导电机气隙磁密计算方法，构建轴向磁通非晶合金永磁电机的铁耗和谐波损耗的计算模型。

2.1 多环等效模型

图4为永磁电机的一个单元电机，按径向方向，将电机的电枢长度等分成N分，见图5所示，取出其中一层并展开成二维模型，见图6，通过解析法计算气隙磁密，在二维模型基础上推导定、转子铁心损耗的计算方法，见图7将每环的损耗密度进行积分，最终得出N环的总铁耗和谐波损耗。

图4 一个单元电机模型

图5 分层模型

图6 二维模型

图7 每环的损耗模型

2.2 气隙磁密计算

2.2.1 定子绕组磁动势

本文基于单相逆变电路，分析PWM 逆变器的输出相电压，推导了加载在电机绕组两端时绕组内电流，将电流波形作为激励源，计算其产生的定子绕组磁动势和气隙磁密。如图8所示，单相PWM逆变电路，其中UC载波，U1调制波。

变频器输出的单相电压uφ(t)可表示为

(1)

对uφ(t)进行傅立叶分解，经整理可得

(2)

式中，NCω—载波角频率，NC—载波比，第一项是输出电压基波，第二项是输出电压谐波。

将n分为奇数和偶数两类情况，对谐波电压进行讨论。

根据电压平衡方程式

(3)

忽略电机负载以及内部损耗影响，根据式(1)、式(2)、式(3)可整理出变频器供电时，电机定子绕组内三相电流如下

(4)

相绕组磁动势为

(5)

因此，合磁动势为

(6)

2.2.2 永磁体励磁磁动势

永磁体产生的气隙磁动势如图9所示，为

(7)

图9 气隙磁动势

2.2.3 气隙磁导

本文采用文献[2]中的卡特系数Kcm

(8)

计算一个齿距下的气隙磁密，再将电机气隙磁导λ、气隙磁密b和磁动势f带入，得出气隙磁导表达式，最后进行傅里叶级数展开，可得出气隙磁导为

(9)

式中，n—磁导谐波次数；Z1—定子槽数。

2.2.4 气隙磁密

根据磁路分析原理，永磁电机的气隙磁密为

b(θ,t)=[fs(θ,t)+fm(θ,t)]λ(θ)

(10)

3 气隙长度对铁耗影响

3.1 对定子绕组磁动势谐波的影响

依据磁路分析，计算电机电感参数随气隙长度的变化关系，如图10所示为7kW轴向磁通非晶合金永磁电机，随着气隙长度增加电感下降，大约下降45%。

图10 电感参数与气隙长度关系

气隙长度不同引起的电感参数变化，导致定子绕组对 PWM 逆变器输出的高次谐波电压产生的抑制效果出现差异，定子绕组的高次谐波电流幅值不同，研究7kW轴向磁通非晶合金永磁电机，结果显示如图11，当气隙长度增加，定子绕组中电流谐波幅值变大，电流波形畸变率增加。

图11 电流波形畸变率与气隙长度关系

图12 定子绕组谐波电流幅值与气隙长度关系

谐波电流会产生谐波磁动势，两者呈线性正比例关系，同时谐波磁动势在电机气隙内产生谐波磁密，如图13所示，定子绕组谐波磁动势引起的气隙磁密幅值随气隙长度的变化关系，当气隙长度的变大，气隙磁密谐波幅值下降。

图13 气隙磁密谐波幅值与与气隙长度关系

3.2 对铁耗影响

计算了7kW轴向磁通非晶合金永磁电机,结果如图14所示,气隙长度增加，由永磁体励磁磁动势谐波引起的定子铁心损耗和气隙磁导谐波产生的永磁体涡流损耗皆呈现下降规律。

图14 损耗与气隙长度关系

4 结语

节能环保已经是全球共同需要解决的问题，面对日益萎缩的能源，高效节能的电机必然成为发展所趋，在此，非晶合金电机在这些方面存在着巨大的潜力，只有充分发掘其节能环保的特点及优点，才能更好地服务于本行业的发展。