非晶合金永磁電機負載損耗及效率特性分析

朱龍飛 朱建國 佟文明 韓雪巖

摘要：為了研究采用非晶合金材料代替硅鋼片材料制作鐵心后，永磁電機在負載運行時的損耗與效率的變化規(guī)律，研制了兩臺相同結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的非晶合金永磁電機和硅鋼片永磁電機。利用實驗方法測試了兩臺電機在相同運行工況下的損耗與效率特性，并借助有限元方法對兩臺電機不同負載率時的損耗進行了對比分析。結(jié)果顯示，輕載時，非晶合金永磁電機定子鐵心損耗低于硅鋼片電機，效率優(yōu)勢明顯；但隨著負載率的增加，非晶合金電機定子鐵心飽和嚴重，導(dǎo)致繞組磁動勢波形畸變，由繞組磁動勢諧波引起的損耗高于硅鋼片電機，非晶合金電機效率優(yōu)勢隨負載率的增加逐漸減小。

關(guān)鍵詞：非晶合金；永磁電機；負載損耗；效率；負載率

DOI：10.15938/j.emc.

中圖分類號：TM 351文獻標志碼：A文章編號：1007-449X（2017）00-0000-00

Analysis of the characteristics of power losses and efficiency of a amorphous alloy permanent magnet motor

ZHULong-fei1， ZHU Jian-guo2，TONG Wen-ming1，HAN Xue-yan1

（1.School of Electrical and Engineering， National Engineering Research Center for Rare-earth Permanent Magnetic Machines， Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China；

2.School of Electrical Mechanical and Mechatronic System， University of Technology Sydney， NSW 2007， Australia）

Abstract：In order to study the characteristics of power losses and efficiency of the permanent magnet motor when the silicon steel core is replaced by the amorphous alloy core， two permanent magnet motors are produced which have the same specifications. One core of the motors is made of silicon steel sheet and the other core of the motors is made of amorphous alloy material. The characteristics of power losses and efficiency of the two motors are measured at the same operating situation. Power losses are also analyzed at various load ratios by using finite element analysis. The results show that， the core loss of amorphous alloy motor is lower than that of the silicon steel motor when the load is light， and the efficiency of amorphous alloy motor is more superior than silicon steel motor. But with the increase of load ratio， the core of amorphous alloy motor is badly saturated， the waveform of MMF distorts a lot， and the losses caused by MMF harmonics are higher in amorphous alloy motor than that in the silicon steel motor， which leads to a reduction of superiority of efficiency with the increase of load ratio.

Keywords： amorphous alloy； permanent magnet motor； power losses；efficiency；load ratio

0 引言

非晶合金材料具有單片?。▎纹穸葍H為0.03mm）、電阻率大（約為傳統(tǒng)35W270冷軋硅鋼片的3倍）等優(yōu)點，其渦流損耗遠遠低于傳統(tǒng)硅鋼片材料，利用非晶合金材料代替硅鋼片材料制造電機鐵心可有效降低電機的鐵心損耗[1-4]。近些年，國內(nèi)外學(xué)者制造了多種結(jié)構(gòu)形式的非晶合金電機[5-10]，并對電機的性能進行了分析。但大多數(shù)文獻只著眼于非晶合金替代硅鋼片后電機空載鐵心損耗的降低幅度，對替代后電機在負載運行時其它損耗變化的分析較少。文獻[11]對比分析了兩臺相同結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的非晶合金永磁電機和硅鋼片永磁電機冷態(tài)空載運行時的損耗。文章指出，空載運行時非晶合金電機定子鐵心損耗低于硅鋼片電機，但非晶合金電機中由PWM逆變器供電時載波諧波電流引起的損耗高于硅鋼片電機。

基于上述問題，本文在文獻[11]的基礎(chǔ)上，利用實驗方法測試非晶合金永磁電機和硅鋼片永磁電機在相同運行工況下的損耗及效率，并對實驗結(jié)果進行對比。在此基礎(chǔ)上，借助有限元方法對兩臺電機各部分損耗隨負載率的變化規(guī)律進行了深入研究。

1 非晶合金和硅鋼片鐵心性能對比

本文中非晶合金電機鐵心和硅鋼片電機鐵心分別由Metglas 2605SA1和35W270材料制造而成，非晶合金鐵心疊壓系數(shù)為0.9，硅鋼片鐵心疊壓系數(shù)為0.97。利用文獻[11]中的實驗方法測試了非晶合金鐵心200Hz時的磁化性能和損耗性能，并將其與硅鋼片材料進行對比，結(jié)果如圖1～圖3所示。

從圖1磁化曲線的對比中可以看出，非晶合金鐵心拐點位置和飽和磁密均低于硅鋼片。從圖2相對磁導(dǎo)率對比中可以看出，磁密較低時非晶合金鐵心磁導(dǎo)率高于硅鋼片，但在電機常用的鐵心磁密范圍內(nèi)，非晶合金鐵心的磁導(dǎo)率均低于硅鋼片。以1.0T為例，硅鋼片的磁導(dǎo)率為非晶合金鐵心的1.5倍。從圖3損耗密度曲線對比中可以看出，非晶合金鐵心損耗密度優(yōu)勢十分明顯。同樣以1.0T為例，非晶合金鐵心損耗密度僅為硅鋼片的48.9%。

2 非晶合金和硅鋼片電機效率對比

利用上述兩種鐵心分別制作了兩臺結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)均相同的非晶合金和硅鋼片永磁電機，如圖4所示，電機具體參數(shù)見表1。

為了直觀分析出采用非晶合金材料制造鐵心后，電機的損耗與效率的變化情況，本文利用實驗方法分別測試了PWM逆變器供電情況下兩臺電機在轉(zhuǎn)速為3000r/min時的熱態(tài)工作特性，實驗線路如圖5所示。對實驗結(jié)果進行分析，并對比了兩臺電機不同負載率時的損耗與效率，如圖6和圖7所示。

從圖6和圖7中可以看出，不同負載率情況下，非晶合金電機損耗均低于硅鋼片電機，非晶合金電機的效率均高于硅鋼片電機。從圖6和圖7中曲線的變化趨勢可以看出，輕載時非晶合金電機效率提升十分明顯，但隨著負載率的增加，非晶合金電機

損耗增加速度快于硅鋼片電機，其效率優(yōu)勢逐漸減小。為了分析產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，本文利用Yamazaki教授提出的電機損耗分離方法對不同負載率時兩臺電機的各部分損耗進行對比分析[12-13]。

3 非晶合金和硅鋼片電機損耗對比

3.1 電機損耗分離方法

在電機初始設(shè)計階段，很難得出PWM逆變器供電時的電流波形，可使用波形生成軟件生成合適的電流波形代替分析[12]。由于本文已經(jīng)制造樣機并對其進行了實驗測試，直接采用實驗實測電流波形進行分析，如圖8所示為額定負載時非晶合金電機的線電流波形及其諧波分析。

圖8 電流波形及諧波分量

Fig.8 Measured current waveform and its harmonics

將圖8的電流波形作為激勵源代入到有限元中對電機模型進行分析，記錄定子鐵心齒部、軛部以及永磁體表面和內(nèi)部典型位置的徑向和切向磁密變化波形，如圖9所示。由于此次研究的電機屬于表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)損耗含量很小，將其忽略。將得出的定子鐵心和永磁體中的磁密變化波形進行傅里葉分解即可得到該位置磁密波形中的各次諧波成分。

對于定子鐵心損耗的計算，可將傅里葉分解得出的各次諧波磁密代入式（1）中。需要說明的是，式（1）中的 、 和 是根據(jù)非晶合金鐵心損耗

圖9 典型位置磁密分析

Fig.9 Analysis of flux density at typical positions

密度測試數(shù)據(jù)以及35W270硅鋼片損耗密度數(shù)據(jù)經(jīng)非線性擬合得出的，具體數(shù)值見表2。

（1）

式中： 和 為磁滯損耗系數(shù)； 為渦流損耗系數(shù)； 為定子鐵心材料密度； 為定子鐵心磁密諧波次數(shù)；f為基波頻率； 、 分別為 次諧波徑向和切向磁密分量； 為定子鐵心體積。

表2兩種材料損耗系數(shù)

Table 2Loss coefficients of these two materials

鐵心材料 kh α ke

非晶合金 0.0057 1.83 5.74×10-5

硅鋼片 0.0233 2.01 5.91×10-5

對于永磁體渦流損耗的計算，根據(jù)麥克斯韋方程組：

（2）

（3）

求解得永磁體內(nèi)渦流為

（4）

根據(jù)坡印廷矢量，永磁體內(nèi)渦流損耗為

（5）

式中： 為永磁體電導(dǎo)率； 為永磁體體積。

3.2 損耗計算結(jié)果驗證與分析

本文分別計算了非晶合金電機和硅鋼片電機在多個負載率時的各部分損耗，并將計算結(jié)果進行了對比分析。圖10所示為負載率為0.2時非晶合金電機與硅鋼片電機各部分損耗及其與各自實驗值的對比。圖中pm_λ、pm_w、pm_a、ps_a、ps_r、ps_b、pexp分別為由磁導(dǎo)諧波引起的永磁體損耗、由繞組磁動勢諧波引起的永磁體損耗、由載波諧波電流引起的永磁體損耗、由載波諧波電流引起的定子鐵心損耗、由電樞反應(yīng)磁動勢諧波引起的定子鐵心損耗、由基波引起的定子鐵心損耗以及電機損耗實驗值。需要說明的是，圖10中的損耗實驗值中已經(jīng)減掉銅耗和機械損耗。對于銅耗的分離，采用文獻[14]中的方法；對于機械損耗的分離，采用假轉(zhuǎn)子方法。

從圖10中可以看出，兩臺電機損耗計算值與實驗值相符性良好，說明該方法具有很高的計算精度。對比非晶合金電機及硅鋼片電機的各部分損耗可知，由于非晶合金材料優(yōu)異的損耗特性，使非晶合金電機定子鐵心內(nèi)的損耗低于硅鋼片電機，其值僅為硅鋼片電機的34.4%，這就是輕載時非晶合金電機效率優(yōu)勢明顯的原因。但是非晶合金電機由載波諧波引起的損耗卻高于硅鋼片電機，特別是永磁體中的渦流損耗。分析原因是由于非晶合金材料在電機常用磁密段的磁導(dǎo)率低于硅鋼片材料，如圖2所示。非晶合金電機電感低于硅鋼片電機，在采用PWM逆變器供電時，繞組對高次載波諧波電流的阻礙作用弱于硅鋼片電機，電流波形中諧波含量高于硅鋼片電機。這也在一定程度上制約了非晶合金電機的效率優(yōu)勢。弄清非晶合金電機輕載時效率提升明顯的原因后，本文進一步分析隨著負載率的增加，兩種電機各部分損耗的變化規(guī)律。圖11和圖12所示為多個負載率時非晶合金電機和硅鋼片電機的損耗變化情況。

從圖11和圖12可以看出，隨負載率的增加，非晶合金和硅鋼片電機中pm_λ、pm_a、ps_a、ps_b變化較小，變化較為明顯的損耗為由繞組磁動勢諧波引起的永磁體損耗pm_w和由電樞反應(yīng)磁動勢諧波引起的定子鐵心損耗ps_r。對比圖11和圖12可知非晶合金電機上述兩種損耗隨負載率增加而增加的幅度大于硅鋼片電機，特別是pm_w。從0.2倍負載到1.2倍負載時，非晶合金電機的pm_w增加了14.5W，而硅鋼片電機只增加的7.5W；非晶合金電機總損耗增加了18.86W，硅鋼片電機總損耗增加了9.06W。

圖13和圖14對比了非晶合金電機和硅鋼片電機在0.2倍負載和1.2倍負載時磁密的分布情況。

從圖13和圖14中可以看出，由于非晶合金鐵心疊壓系數(shù)低于硅鋼片鐵心，輕載時非晶合金電機的定子鐵心磁密就已經(jīng)高于硅鋼片電機。且由于非晶合金鐵心飽和磁密低于硅鋼片材料（圖1），隨著負載率的增加，非晶合金電機定子鐵心飽和程度遠遠高于硅鋼片電機，非晶合金電機繞組磁動勢波形畸變嚴重，由此引起的pm_w和ps_r隨負載率增加而增加的幅度大于硅鋼片電機，從而導(dǎo)致了非晶合金電機效率優(yōu)勢隨負載的增加越來越小。

4 結(jié)論

本文利用實驗方法測試了非晶合金鐵心的磁性能，并將實驗結(jié)果與硅鋼片材料進行了對比。測試了兩臺結(jié)構(gòu)尺寸相同的非晶合金永磁電機和硅鋼片永磁電機的負載損耗和效率性能。借助有限元方法分析了兩種電機各部分損耗隨負載率的變化關(guān)系。現(xiàn)得出以下結(jié)論：

1） 非晶合金鐵心的飽和磁密以及電機鐵心常用范圍內(nèi)的磁導(dǎo)率均低于硅鋼片材料，但非晶合金鐵心的損耗密度優(yōu)勢十分明顯。

2） 由于非晶合金鐵心優(yōu)異的損耗特性，輕載時非晶合金電機鐵心損耗低于硅鋼片電機，效率優(yōu)勢明顯。

3） 隨著負載率的增加，非晶合金電機定子鐵心飽和嚴重，繞組磁動勢和電樞反應(yīng)諧波引起的損耗高于硅鋼片電機，從而導(dǎo)致非晶合金電機效率優(yōu)勢隨負載率的增加而逐漸減小。

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