非晶合金电机空载铁耗研究

王凯东，孙宁



非晶合金电机空载铁耗研究

王凯东，孙宁

（沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110876）

为了体现非晶合金低损耗性能的优越性，对一台15 kW、1 000 Hz电机进行空载铁耗仿真计算分析，电机定子铁心为非晶合金材料，定子铁心采用浸漆、固化加工工艺。电机空载铁耗的计算主要包括非晶定子基本铁耗的分离以及空载杂散损耗的计算，得出了非晶合金电机杂散损耗是基本铁耗的6.03倍。

非晶合金；永磁电机；空载铁耗；软磁材料

1 引言

非晶合金材料是新型软磁材料，能够节省普通冷轧金属制造工艺的部分工艺，节约能源，数据推算生产1 kg非晶合金材料比生产相同质量的冷轧硅钢片能够节约1 L石油。非晶合金带材的磁导率在约为普通硅钢的6倍，与传统的硅钢材料相比较其电阻率更高，厚度更薄，用作铁心材料能够将铁损降低70%～90%，因此用非晶合金材料作电机铁心能够提高电机的效率。本文针对一台15 kW、1 000 Hz采用非晶合金定子的电主轴电机进行分析，分离了电机的空载基本铁耗，综合考虑旋转磁场和交变磁场的影响，分析并计算了定子铁心损耗，总结了铁耗修正系数，能够为非晶合金永磁电机设计提供借鉴。

2 空载铁耗分析方法

根据谐波分析原理，电机内任意点磁通密度的波形可以分解为一系列谐波分量，任意磁场的波形下产生的铁耗等于其基波和各次谐波分量产生的铁耗之和。对于次谐波的椭圆形旋转磁场，能够分解为长轴磁通密度为vmax、短轴磁通密度为vmin的两个交变磁场，椭圆旋转磁场产生的损耗可以等效为两个正交的交变损耗。

定子铁心磁滞损耗为：

经典涡流损耗为：

式（1）（2）中：h为磁滞损耗系数；e为经典涡流损耗系数。

通过时步有限元法对磁场分析，得到定子铁心单个周期内各个单元磁通密度矢量的变化，由式（1）和式（2）得到第个单元单位质量铁心铁耗如下：

j=hj+ej. （3）

总铁耗等于各单元的铁耗之和，公式为：

式（4）中：为铁心长；j为第个单元的单位质量铁心损耗；为铁心叠片密度；△j为第个单元的面积。

根据三维涡流场有限元分析，假设电机内部电磁场是准静态场，如果忽略位移电流和定子电枢绕组电流的不均匀效应，根据麦克斯韦电磁理论可以建立电机三维瞬态电磁场模型，得到永磁体内的涡流密度表达式：

式（5）中：为电流密度；为电导率；，为标量磁位与矢量磁位。

进而得出永磁体内涡流损耗为：

式（6）中：为计算时间；为永磁体体积。

3 非晶合金电机空载铁耗计算

非晶合金带材的厚度仅为0.025 mm，铁耗模型的损耗系数与硅钢片不同，而且经过加工的非晶合金铁心损耗系数会发生较大变化。因此，首先根据铁耗分离模型，通过最小二乘法对多个频率下非晶合金铁心铁耗系数做非线性拟合，如图1所示。由非线性拟合分析结果得出相应的损耗系数：磁滞损耗系数h=9.688×10-3，涡流损耗系数e=1.563×10-5.

3.1 定转子铁心损耗

通过有限元方法分析非晶合金电机铁心损耗，如图2所示。由图2可以得出，施加空载电流时产生的定、转子铁心损耗为97.67 W，其主要包括空载电流谐波引起的损耗增量、定子开槽引起气隙磁导不均匀所引起的损耗增量、永磁体磁场空间分布非正弦所引起的损耗增量以及加工后引起的损耗增量。

图1 非晶合金铁心损耗系数拟合曲线

图2 空载定转子铁心损耗

3.2 永磁体涡流损耗

对非晶合金电机永磁体涡流损耗进行三维有限元分析，结果如图3所示。

图3 永磁体涡流损耗

由图3可以得出，施加空载电流时产生的永磁体涡流损耗为8.86 W，主要为空载电流谐波引起的损耗增量和定子开槽引起气隙磁导不均匀引起的损耗增量。

3.3 结构件中的涡流损耗

本文为了研究非晶合金修正系数，计算了电机临近结构件损耗，该损耗主要由于电机漏磁场引起，利用有限元对电机端盖、机壳、挡板、轴承进行计算，得到在结构件中损耗为12.90 W。

通过对非晶电机不同部分空载时的损耗进行分析，得到电机空载的损耗分布如表1所示。从表1计算结果可以看出，电机空载总损耗为120.99 W，而基本铁耗为20.05 W。非晶定子铁心采用浸漆、固化加工工艺时空载损耗是非晶基本铁耗的6.03倍，用非晶带材计算铁耗时，铁耗的修正系数与硅钢片的修正系数不同，非晶合金的铁耗修正系数相比较硅钢片大得多。

表1 非晶电机各部分空载损耗表

损耗位置定子铁心转子铁心永磁体结构件 损耗/W97.671.588.8412.90

4 结论

通过对非晶合金电机和硅钢片电机空载铁耗的仿真计算，得到非晶合金电机的空载铁耗为电机基本铁耗的6.03倍，非晶合金铁耗的修正系数已不同于硅钢电机。

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2095－6835（2019）07－0068－02

TG139.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.068

王凯东（1981—），男，工程师，研究方向为特种电机及其控制。

〔编辑：严丽琴〕