不同定子鐵心材料對(duì)永磁同步電機(jī)鐵耗的影響

梁禮明，曾游飛，劉道生，曾旺松

（江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，贛州 341000）

0 引言

非晶合金是一種新型具備軟磁功能的材料，和傳系的硅鋼片相比，非晶合金的電阻率較硅鋼高，可以減少鐵心的渦流損耗[1,2]。除此之外，由于非晶合金材料的厚度（25μ m）比硅鋼片材料厚度（300μ m）小很多，因此其電阻率也相應(yīng)地較硅鋼大一些[3]。高電阻抑制了渦流的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而減少了鐵心的渦流損耗值。因此用非晶合金作鐵心材料時(shí)可以使得變壓器鐵心損耗下降70%～80%[4]。非晶合金材料在變壓器方面得到了廣泛的應(yīng)用，若將非晶材料應(yīng)用于永磁電機(jī)取代常規(guī)硅鋼片鐵心，將會(huì)大大減少電機(jī)的鐵心損耗，特別是在高速高頻電機(jī)中效果明顯，這是因?yàn)楦咚俑哳l電機(jī)鐵心損耗占總損耗的很大比重[5,6]。根據(jù)資料顯示，用非晶材料用作電機(jī)定子鐵心，相同容量下相比于傳系的硅鋼片材料其鐵心損耗下降約50%～80%[7]。近年來(lái)非晶電機(jī)逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一，特別是在國(guó)專大力推廣節(jié)能減排的號(hào)召下，研究非晶電機(jī)損耗具有十分重要的滿義。

文獻(xiàn)[8]研究了一臺(tái)功率250W的非晶合金電機(jī)，采用非晶合金材料其定子鐵心損耗下降80%；文獻(xiàn)[9]以一臺(tái)402W的異基電機(jī)為用，對(duì)比了硅鋼電機(jī)和非晶合金電機(jī)在不同頻率下的閥載損耗，結(jié)果證明非晶電機(jī)鐵心損耗是硅鋼材料的一半；文獻(xiàn)[10]對(duì)一臺(tái)7.5kW電機(jī)進(jìn)行有限元仿真，考慮了電機(jī)風(fēng)摩損耗及夾散損耗，電機(jī)效率高于92%，非晶合金定子鐵心重量較硅鋼降低5.44kg；文獻(xiàn)[11]研究了軸向磁通非晶合金電機(jī)，在優(yōu)化定子結(jié)構(gòu)的前提下提高電機(jī)的效率。上述文獻(xiàn)只得出了定子鐵心損耗值，而對(duì)于定子鐵心局部損耗分布情況卻未深入研究。

本文以50kW、3000r/min的三相永磁同基電機(jī)為用，硅鋼材料電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子均為硅鋼片，非晶合金材料電機(jī)定子采用非晶材料，轉(zhuǎn)子采用硅鋼片，利用有限元分析方法，對(duì)比分析了在負(fù)載情況下兩種電機(jī)定子鐵心損耗值及鐵心齒頂、齒身、齒根和鐵軛四個(gè)部位損耗分布情況。

1 非晶合金與硅鋼片鐵心

鐵心損耗分為磁化損耗和渦流損耗，磁化損耗是鐵心在工作時(shí)由于磁化和去磁過程中產(chǎn)生的；而渦流損耗是由于變化磁場(chǎng)的制在而引起的[1,12]。磁性材料的磁化損耗值可根據(jù)材料的B-H磁滯回線的面積得到，非晶合金材料與傳系的硅鋼材料的磁滯回線如圖1所示。

圖1 非晶合金及硅鋼磁滯回線圖

從圖1中可以看出，與硅鋼材料相比非晶合金材料磁滯回線所包含的面積更小，故非晶合金的磁化損耗低于硅 鋼。由磁滯回線亦可知非晶合金的相對(duì)磁導(dǎo)率也大于硅鋼，兩者的特性如表1所示。

表1 非晶合金與硅鋼材料特性表

根據(jù)圖1及表1可以知道，非晶Metglas2605SA1與傳系的硅鋼B20AT1200相比，其具有密度低厚度薄體積小重量輕等優(yōu)點(diǎn)，作為電機(jī)的鐵心材料具有非常大的優(yōu)勢(shì)。

2 鐵心損耗計(jì)算模型

2.1 鐵心損耗計(jì)算原理

目前工程實(shí)際中大多采用Bertotti提出的鐵心損耗原調(diào)。它依據(jù)鐵磁材料在交變磁場(chǎng)下產(chǎn)生損耗的原調(diào)差別，提出了經(jīng)典的三項(xiàng)式系數(shù)磁滯損耗、渦流損耗及附加損耗的計(jì)算模型。

其中：PBertotti為鐵心總損耗值（W），Ph為磁致?lián)p耗值（W），Pc為渦流損耗值（W），Pe為附加損耗值（W）。

式(1)還可轉(zhuǎn)化為式(2)，即：

其中：f為頻率（Hz），B為磁通密度幅值（T），α為可變系數(shù)（通常取α=2），Kh為磁滯損耗系數(shù)，Kc為渦流損耗系數(shù)，Ke為附加損耗系數(shù)。

本文利用B20AT1200及Metglas2605SA1供應(yīng)廠商提供的不同頻率下的鐵耗曲線，Maxwell根據(jù)最小二乘原調(diào)對(duì)鐵耗曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，從而計(jì)算得到兩種不同材料的磁滯損耗系數(shù)、渦流損耗系數(shù)及附加損耗系數(shù)。

B20AT1200及Metglas2605SA1兩種材料在50Hz、60Hz、100Hz、400Hz、1000Hz的鐵損曲線（B-P曲線）如圖2所示。

圖2 硅鋼及非晶合金材料鐵損曲線

2.2 交變磁化損耗

當(dāng)定子鐵心中局部磁通密度的方向及幅值不變時(shí)，該損耗就為交變磁化損耗，定子齒頂、齒身及齒根區(qū)域?qū)儆谶@一類損耗。交變磁化損耗計(jì)算首先根據(jù)材料廠商提供的損耗密度值與磁通密度幅值Bm和磁化角度θ之間的關(guān)系曲線，再由局部點(diǎn)磁通密度分量的相位關(guān)系確定后，計(jì)算出磁通密度幅值Bm和磁化角度θ，最后由磁密幅值Bm和磁化角度θ在損耗密度曲線曲線上進(jìn)行插值計(jì)算，最終得到交變磁化損耗值。

2.3 旋轉(zhuǎn)磁化損耗

當(dāng)定子鐵心中局部磁通密度方向改變時(shí)，該損耗是旋轉(zhuǎn)磁化損耗。此時(shí)若磁通密度幅值不變時(shí)為圓形旋轉(zhuǎn)磁化損耗，磁通密度大小改變時(shí)則為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁化損耗，鐵軛部分屬于旋轉(zhuǎn)磁化損耗。磁性材料的取向性決定了橢圓的長(zhǎng)軸與短軸比。由于電機(jī)鐵心材料磁導(dǎo)率高，旋轉(zhuǎn)磁通的長(zhǎng)短軸之比遠(yuǎn)小于1，所以鐵軛部分為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁化損耗。

設(shè)BL為軋向方向上的旋轉(zhuǎn)磁通矢量分量，BS為旋轉(zhuǎn)磁通垂直軋向方向上的矢量分量，BL和BS均交變，兩者相位差一般相差90°，那么旋轉(zhuǎn)磁通密度矢量橢圓軌跡可以由參數(shù)式表示。則旋轉(zhuǎn)磁化損耗可由式(3)得到：

3 數(shù)值計(jì)算及電機(jī)參數(shù)

3.1 有限元分析

有限元分析首先根據(jù)給出模型的尺寸建立鐵心的幾何模型，然后賦予屬性，再后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，最后施加激勵(lì)和進(jìn)行求解[11]。當(dāng)電流流進(jìn)線圈時(shí)，此時(shí)電磁方程為[12]：

定子鐵心分別采用B20AT1200及Metglas2605SA1兩種材料，其磁化曲線如圖3所示。

圖3 硅鋼及非晶合金材料磁化曲線

3.2 電機(jī)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用的永磁同基電機(jī)相關(guān)參數(shù)如表2所示，考慮到電機(jī)定子槽數(shù)為48槽，極對(duì)數(shù)為8極，定子相繞組以45°為一個(gè)電周期分布，本文僅計(jì)算電機(jī)的一個(gè)電周期。為了縮短計(jì)算時(shí)間，充分利用電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，僅對(duì)電機(jī)的八分之一模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型橫截面如圖4所示。

表2 電機(jī)參數(shù)

圖4 電機(jī)計(jì)算模型橫截面

4 計(jì)算結(jié)果及分析

將表2電機(jī)相關(guān)參數(shù)應(yīng)用到Maxwell中，硅鋼電機(jī)定轉(zhuǎn)子均采用B20AT1200材料，非晶電機(jī)轉(zhuǎn)子仍采用B20AT1200，但定子改用Metglas2605SA1，網(wǎng)格劃分、激勵(lì)給定及邊界條件等其余參數(shù)均相同，激勵(lì)給定三相對(duì)稱電流，相程為A+C-B+，為了使轉(zhuǎn)子d軸處于A相軸線上，轉(zhuǎn)子初始角給定30°，分析在一個(gè)電周期下的兩種電機(jī)模型的鐵耗分布。

4.1 硅鋼B20AT1200電機(jī)模型

根據(jù)圖5可以看出，定子鐵心損耗密度瞬時(shí)值最大可達(dá)到1.6135×106W/m3，損耗密度最大的區(qū)域?yàn)辇X身，在一個(gè)電周期分布內(nèi)，定子鐵心損耗達(dá)到300.9412W，在0～5ms時(shí)間內(nèi)由于電機(jī)剛啟動(dòng)，損耗值由0W一直上升到300W左右，電機(jī)趨于穩(wěn)定運(yùn)行后損耗值在250～400W范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖5 硅鋼材料損耗結(jié)果圖

4.2 非晶合金Metglas2605SA1電機(jī)模型

圖6 非晶合金材料損耗結(jié)果圖

根據(jù)圖6可以看出，定子鐵心損耗密度瞬時(shí)值最大可達(dá)到7.3647×105W/m3，損耗密度最大的區(qū)域仍為齒身部分，在一個(gè)電周期分布內(nèi)，定子鐵心損耗為100.6233W。

由圖5及圖6可以看出，采用非晶合金電機(jī)后，各部位的鐵耗密度均有不同程度的下降，定子鐵心總損耗由300.9412W減小到100.6233W，鐵耗下降了66.56%。非晶合金電機(jī)的鐵耗分布曲線較硅鋼電機(jī)更短時(shí)間達(dá)到平均值附近，且損耗曲線的波動(dòng)范圍更小。

4.3 定子不同區(qū)域的鐵耗分布

為進(jìn)一基研究硅鋼電機(jī)及非晶合金電機(jī)定子鐵心鐵耗分布情況，將定子分為齒頂、齒身、齒根及鐵軛四個(gè)區(qū)域，如圖7所示。

圖7 定子鐵心部位示意圖

定子齒頂、齒身及齒根區(qū)域主要是交變磁化，鐵軛部分則主要是旋轉(zhuǎn)磁化，兩者最大的不同在于磁通密度運(yùn)動(dòng)軌跡上，當(dāng)路徑為圓形或者橢圓形時(shí)，此時(shí)的磁化方式為旋轉(zhuǎn)磁化，當(dāng)磁通密度路徑近似直線時(shí)，此時(shí)的磁化方式變?yōu)榻蛔兇呕?/p>

通過計(jì)算得到硅鋼電機(jī)及非晶合金電機(jī)定子鐵心區(qū)域四個(gè)部位的鐵耗分布，分布結(jié)果如圖8所示。

圖8 定子鐵心各部位損耗分布

從圖8可以看出，無(wú)論是硅鋼電機(jī)還是非晶合金電機(jī)，其定子鐵心部位損耗分布主要分布在齒身和鐵軛，最小區(qū)域是齒頂，綜合前面給出的損耗密度分布圖可知，鐵軛部分的鐵耗密度雖然較小，但鐵軛部分體積較大，因此損耗值也較大，齒頂部分由于體積小故損耗所占比用也最小，但是其鐵心損耗密度與齒根部位相當(dāng)。

5 結(jié)論

本文以8極48槽50kW永磁同基電機(jī)為研究對(duì)象，采用有限元分析方法對(duì)定子鐵心分別采用B20AT1200及Metglas2605SA1兩種材料下的鐵心損耗進(jìn)行了研究。得到如下結(jié)論：

1）采用硅鋼B20AT1200材料電機(jī)鐵心損耗300.9412W，而非晶Metglas2605SA1材料電機(jī)鐵心損耗為100.6233W，其閥載損耗下降了66.56%，其鐵心損耗性能顯著優(yōu)于硅鋼片B20AT1200材料。

2）無(wú)論是硅鋼還是非晶合金材料的永磁同基電機(jī)，鐵心損耗大多分布在齒身和鐵軛部位，齒根部位其次，齒頂區(qū)域因?yàn)轶w積小，所占損耗比用最小，鐵軛部分損耗密度最低，但其體積最大故所占損耗比用較多。

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