深海用永磁同步电机硅钢片磁特性及铁损研究

陈芝波，罗 响，龚 纯

(1 上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240；2 中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

0 引 言

推进电机是全海深无人潜水器的主要动力来源。高效推进电机设计是制备性能优良的全海深无人潜水器的前提条件，而无取向硅钢片是深海推进电机定子铁心的核心材料，硅钢片的性能直接影响着整个潜水器推进系统的性能。

与普通环境用电机相比，深海用推进电机处于较大的流体压强环境中，电机定子硅钢片将受到一定的深海压应力。在深海压应力的作用下，电机定子硅钢片的微观结构将会发生变化，进而影响硅钢片的磁特性。而硅钢片的磁特性是硅钢片的重要性能指标，它的变化将直接影响深海用推进电机的铁心损耗，从而影响整个推进电机驱动系统的效率。目前，国内外有很多文献研究硅钢片在挤压应力以及电磁应力作用下的磁特性变化,很少有文献研究硅钢片在深海特定环境下磁特性的变化规律。

本文使用有限元计算方法分析了深海用推进电机使用DW470硅钢片材料作为电机定子铁心的压应力分布情况，以及定子铁心形变情况。在定子铁心应力场分析的基础上，将应力计算结果与电磁场进行耦合，仿真计算了定子铁心在不同压力环境下的磁密分布，并以电机定子铁心磁密Bm保持不变为条件，计算出深海无人潜水器推进电机在不同压强下的铁心损耗。最后在理论分析的基础上，实验模拟了深海压强环境，测试了无取向硅钢片在不同深海应力作用下的磁特性变化规律。获得的测量结果以及仿真结论可为高性能深海电机的设计提供技术参考。

1 深海环境下定子铁心压力分布

当潜水器推进电机在深海环境运行时，整个推进电机将处于流体的压应力之下。推进电机定子硅钢片将受到机壳的挤压应力以及电机内部油介质的挤压应力，本文的仿真只考虑了电机的径向压力。

深海环境下推进电机定子铁心的受力状态如图1所示，其中箭头表示电机定子所受到的挤压应力的方向，D、G方向表示来自电机外壳的挤压应力，A、B、C、E、F方向表示来自电机内部油介质的挤压应力。

图1 电机定子在深海环境下的受力状态

电机定子铁心为圆柱形，其应力分布的分析通常采用空间圆柱坐标系。根据材料力学的胡可定理，可得到电机定子铁心各个方向的应力：

式中：σx，σy，σz分别为电机定子铁心所受到的径向、切向和轴向应力；ν为材料的泊松比；E为材料的弹性模量。

电机定子铁心受到的总压应力可表示如下：

(2)

根据式(1)和式(2)，可以计算出深海环境下推进电机硅钢片的受力分布。本文根据深海电机的实际应用环境及其受力状态，采用有限元方法计算电机定子铁心在不同深海压强下的应力分布。仿真使用到的电机具体参数如表1所示。

推进电机定子应力分布仿真结果如图2所示。

表1 推进电机参数

图2 定子铁心在不同深度下应力分布

从推进电机定子铁心在深海环境下的应力分布仿真结果可以看出，在深海高压环境下，定子铁心齿部所受到的压应力最大，而电机定子铁心轭部受到的压应力最小。电机定子铁心大部分区域所受到的压应力大小与深海环境的压强成正比。

推进电机在不同深海压强下总形变量仿真结果如图3所示。

图3 定子铁心在不同深度下总形变

由图3的仿真结果可知，推进电机定子铁心在深海环境下，定子铁心齿靴处总形变最大，而定子铁心轭部的总形变最小。

2 深海环境下定子铁心损耗计算

在深海环境下，电机定子铁心将受到压应力的作用，从而影响定子铁心硅钢片的磁性能。电机定子铁心是电机磁路中的重要部分，定子铁心的性能直接影响着电机的铁心损耗，而电机的铁耗将影响整个驱动系统的效率。

2.1 应力对硅钢片磁导率的影响

硅钢片在外加应力下磁性能会发生一定的变化，且压应力和拉应力对硅钢片的磁性能影响不同[7]。硅钢片磁导率与外加应力对应的关系可表示如下[8]：

式中：μ为硅钢片在外加应力下的磁导率；Δμ为磁导率变化量；σ为硅钢片所受的应力；λ为磁滞伸缩系数；μh为硅钢片初始磁导率。

当硅钢片受到压应力σ<0时，由式(3)可知，硅钢片磁导率μ将减小。

2.2 铁心损耗的计算

电机铁心损耗由涡流损耗、磁滞损耗以及异常损耗三部分组成。电机定子铁心损耗可表示[6]：

式中：Whi，Wei，Wai分别为各次谐波的定子铁心损耗的磁滞损耗、涡流损耗、附加损耗。

根据经典的铁心损耗分离模型，电机定子铁心计算经验公式[8]：

式中：kh为铁芯磁滞损耗系数；kc为铁心涡流损耗系数；ke为铁心附加损耗系数。

磁滞损耗是铁磁体在反复磁化过程中因磁滞现象而消耗的能量，与磁畴的运动有关。磁滞损耗的大小正比于磁滞回线的面积。而涡流损耗与变化的磁场与电流有关。

附加损耗主要与铁心的结构工艺有关，也与电机中气隙中的谐波磁场有关。

而在深海环境下，电机定子铁心受到巨大的压应力作用，电机定子硅钢片内部晶粒将会变形，磁畴转动的阻力将发生变化[2]。在压应力的作用下硅钢片的磁阻将增大，进而影响硅钢片的磁导率[8]。

2.3 铁心损耗仿真

本文采用应力场-电磁场耦合的方法来计算定子铁心损耗。将应力场的计算结果与电磁场耦合，进而计算定子铁心在不同深海压强下的铁心磁密分布以及铁心损耗分布。图4为推进电机二维拓扑结构。

图4 电机拓扑结构

推进电机定子铁心在不同深海压强下的磁密分布仿真结果如图5所示。

图5 定子铁心在不同深海压力下的磁密分布

图5的仿真结果表明，在深海压力环境下，定子铁心齿靴处磁密最大。随着压力的增大，推进电机定子铁心磁密有所下降，在深度8 000m下，定子铁心磁密最大值为2.964 2T；而当电机处于12 000m时，定子铁心密度最大值下降为2.638 3T。这是由定子铁心受较大的挤压应力而使铁心齿靴处磁导率下降、磁阻增大而导致的[8]。

推进电机定子铁心在不同深海压强下铁心损耗分布仿真结果如图6所示。

图6的仿真结果表明，在深海压力作用下，电机定子铁心齿部铁损密度最大，且随着深海压力的增大，电机定子铁心损耗密度的最大值也逐渐增大。

3 实验结果与分析

3.1 实验平台

本文利用深海压力模拟器，模拟了深海环境下的压力，进行了推进电机用硅钢片打压实验，测取了硅钢片在不同压力环境下磁特性的变化规律。图7为深海打压实验平台。

图7 深海环境硅钢片磁特性测量打压实验平台

3.2 实验测量原理

B-H曲线测量原理如图8所示。

图8 B-H曲线测量原理图

磁场强度H计算公式：

(6)

式中：l为被测样品的平均周长；R1是与初级线圈串联的电阻；U1表示R1两端的电压。

磁感应强度B计算公式：

式中：C为被测样品次级线圈串联的电容；R2是与次级线圈串联的电阻；U2表示C两端的电压。

3.3 实验结果

图9为深海环境下的硅钢片磁化曲线。图9中，横轴为测量磁场强度H所对应的U1，纵轴为测量磁感应强度B所对应的U2。从实验结果可以看出，在压缩应力环境下，硅钢片的B-H曲线会发生变化。随着压力的增加，硅钢片的磁滞回线会向内收缩，硅钢片的相对磁导率随着环境压力的增大而降低。

图9 硅钢片磁化曲线

4 结 语

本文研究了电机用定子硅钢片在深海应力作用下的磁性能。采用有限元方法计算了深海电机定子在压力作用下的应力分布，并应用应力场-电磁场耦合方法计算了电机定子铁心在深海应力作用下的损耗趋势。仿真和实验结果表明，在深海高压环境下，压应力会影响硅钢片的磁性能。随着压应力的增加，硅钢片内部微观结构将发生变化，其磁滞回线将向内收缩，硅钢片的磁导率将随环境压力的增加而降低，从而导致电机定子铁心损耗增加。