高速電機用非晶、納米晶定子鐵心研究

李山紅，李立軍，賈春波，李德仁，盧志超

(1.鋼鐵研究總院，北京 100081；2.中國鋼研科技集團有限公司安泰科技股份有限公司，北京 100081)

0 引 言

高速電機指的是轉(zhuǎn)速高達每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)甚至十幾萬轉(zhuǎn)的電機。高速電機由于具有轉(zhuǎn)速高、體積小、功率密度大等優(yōu)點，目前大量應用于高速機床、高速飛輪儲存系統(tǒng)、航空發(fā)動機和天然氣輸送及污水處理等領(lǐng)域[1]。

由于定子鐵心中磁通的變化頻率與電機的轉(zhuǎn)速成正比，隨著電機轉(zhuǎn)速的升高，定子鐵心中磁通交變頻率升高。而鐵心的損耗值與其工作頻率的1.3～1.5次方成正比，一臺60 000 r/min的2級電機，其工作頻率高達1 000 Hz，為工頻電機的20倍。在相同的磁通密度下，鐵心的損耗值將增加至工頻損耗的50～80倍。高速電機與工頻電機相比，鐵心損耗占電機總損耗的比例較大[2]，因此，減小損耗成為高速電機鐵心設(shè)計需要解決的主要問題[3-4]。

鐵基非晶、納米晶合金帶材具有優(yōu)異的軟磁性能，相對于硅鋼材料而言，具有低損耗特性，它可以用于制造更高速度和更小體積的電機鐵心。但由于非晶、納米晶帶材薄而硬，難于切割或成型，一直以來成為制約其應用的障礙。目前，疊塊切割法是徑向非晶、納米晶電機定子鐵心比較成熟的加工方法，即先將帶材剪段并疊層，再經(jīng)過定型、熱處理及浸漆固化制成非晶塊，最后采用線切割或銑削的方法將非晶塊加工成定子鐵心[5]。

本文采用沖片的方法將帶材沖成定子沖片后疊片，再經(jīng)過熱處理、浸漆固化，將鐵基非晶、納米晶合金帶材加工成定子鐵心，并對非晶、納米晶定子鐵心的性能進行了系統(tǒng)分析。

1 實 驗

1.1 鐵心制備及磁性能測試方法

本文所用納米晶材料為安泰科技股份有限公司生產(chǎn)的牌號為1K107B的鐵基納米晶合金帶材，厚度為23 μm，寬度為80 mm；非晶材料為安泰科技股份有限公司生產(chǎn)的牌號為1K101的鐵基非晶合金帶材，厚度為26 μm，寬度為80 mm。硅鋼鐵心選用牌號為35W300的無取向冷軋硅鋼片。

將80 mm寬的鐵基非晶、納米晶合金帶材沖成外徑72 mm、內(nèi)徑36.5 mm的4槽定子鐵心沖片，再將沖片疊片成30 mm高的鐵心，然后將鐵基非晶、納米晶合金鐵心在臥式爐中氮氣氛圍保護下熱處理，非晶合金鐵心的熱處理制度為400 ℃保溫90 min，納米晶合金鐵心的熱處理制度為565 ℃保溫90 min。將熱處理后的非晶、納米晶合金鐵心放入環(huán)氧樹脂浸漆液中浸漆1 h，然后在烘箱中170 ℃保溫2 h，固化成外徑72 mm、內(nèi)徑36.5 mm、高30 mm的4槽定子鐵心。作為對比，相同尺寸的硅鋼鐵心采用沖片、疊鉚方式制備。

采用MATS-2010SD軟磁直流測量裝置測量鐵心的直流磁性能，采用IWATSU SY8232測試系統(tǒng)測量相同尺寸的非晶定子鐵心和硅鋼定子鐵心的交流損耗。

1.2 噪聲測試方法

鐵心的噪聲測試在一個密閉箱中完成，密閉箱的工作尺寸：寬250 mm、深250 mm、高250 mm，四周填充270 mm厚的專業(yè)隔音板加吸音棉，測試樣品用線懸掛在密閉箱中心距離頂部80 mm的位置，將TES-1352S SOUND LEVEL METER的麥克風平行放置在鐵心水平距離20 mm處測試并記錄噪聲。

2 結(jié)果與討論

2.1 定子鐵心的磁性能

制備的納米晶合金定子鐵心、非晶合金定子鐵心和硅鋼定子鐵心如圖1所示。其中，納米晶合金定子鐵心263 g，疊片系數(shù)為0.86；非晶合金定子鐵心263 g，疊片系數(shù)為0.86；硅鋼定子鐵心326 g，疊片系數(shù)為0.97。

(a) 納米晶合金

(b) 非晶合金

(c) 硅鋼

表1 列出了納米晶定子鐵心的直流磁性能。由表1可知，在磁場強度為2 500 A/m時，納米晶定子鐵心的磁感應強度最低，而Br，Hc，μi，μm等性能明顯優(yōu)于非晶及硅鋼定子鐵心。

表1 定子鐵心直流磁性能比較

圖2給出了具有相同形狀和尺寸的納米晶、非晶和硅鋼定子鐵心在f=50 Hz和1 kHz下的磁化曲線。由圖2可知，納米晶定子鐵心和非晶定子鐵心在f=50 Hz和f=1 kHz下磁化曲線基本重合，而硅鋼鐵心在f=1 kHz時，在相同的勵磁磁場下磁感應強度低于f=50Hz下的磁感應強度。在磁場為2 000 A/m時，納米晶定子鐵心的磁感應強度最低，僅為1.08 T，在f=50 Hz下，非晶定子鐵心的磁感應強度為1.54 T，低于硅鋼的1.61 T；而在f=1 kHz下，非晶定子鐵心的磁感應強度與硅鋼鐵心接近，約為1.54 T。

圖2 納米晶、非晶與硅鋼鐵心交流B-H曲線

圖3給出了納米晶、非晶和硅鋼定子鐵心在H=100 A/m時相對磁導率隨頻率變化曲線。由圖3可知，納米晶鐵心和非晶鐵心在相同的勵磁磁場下，隨著頻率的變化磁導率保持恒定，而硅鋼鐵心隨著頻率的升高磁導率不斷降低。

圖3 納米晶、非晶與硅鋼鐵心的相對磁導率 隨頻率變化曲線(H=100 A/m)

圖4給出了納米晶、非晶和硅鋼定子鐵心在Bm=1.0 T下，鐵心損耗隨頻率變化曲線。由圖4可知，非晶定子鐵心的損耗僅為硅鋼的10%左右，納米晶定子鐵心的損耗不到非晶定子鐵心的三分之一。在頻率為50 Hz、磁通密度為1.0 T下，35W300硅鋼定子鐵心的損耗為1.49 W/kg，非晶定子鐵心的損耗為0.23 W/kg，比硅鋼定子鐵心降低了84.56%；而納米晶定子鐵心的損耗為0.06 W/kg，比硅鋼定子鐵心降低了95.97%。在頻率為2 kHz、磁通密度為1.0 T下，硅鋼定子鐵心的損耗增加到298.65 W/kg，非晶定子鐵心的損耗為15.92 W/kg，比硅鋼定子鐵心降低了94.67%；而納米晶定子鐵心的損耗為4.98 W/kg，比硅鋼降低了98.33%。綜上所述，在高頻下使用時，納米晶代替硅鋼用作定子鐵心，可顯著降低鐵心損耗。

圖4 納米晶、非晶和硅鋼定子鐵心 在1.0 T下，隨不同頻率的鐵損變化曲線

圖5給出了納米晶、非晶和硅鋼定子鐵心在1 kHz，不同磁通密度下的鐵心損耗變化曲線。由圖5可知，隨著磁通密度的增加，硅鋼定子鐵心的損耗急劇增加，非晶定子鐵心的損耗不到硅鋼定子鐵心的10%，納米晶定子鐵心的損耗僅為硅鋼定子鐵心的3%左右。

圖5 納米晶、非晶和硅鋼定子鐵心 在1 kHz，不同磁通密度下的鐵損變化曲線

通過對非晶、納米晶和硅鋼定子鐵心的磁性能分析可知，非晶、納米晶定子鐵心與硅鋼定子鐵心相比，用于高速電機中可以大幅度降低定子鐵心的損耗。納米晶定子鐵心的低損耗優(yōu)勢更明顯且磁導率高，但是，其工作飽和磁密相對較低，適用于工作頻率更高且對電機效率要求更高的應用場合。

2.2 定子鐵心的噪聲

圖6給出了納米晶、非晶和硅鋼定子鐵心在1 kHz，不同磁密下的噪聲變化曲線。由圖6可知，在1 kHz下，隨著磁密的增加，定子鐵心的噪聲都呈現(xiàn)升高的趨勢，這三種材料的定子鐵心相比，非晶定子鐵心的噪聲最大，硅鋼定子鐵心的噪聲其次，納米晶定子鐵心的噪聲最低。

圖6 納米晶、非晶和硅鋼定子鐵心 在1 kHz，不同磁密下的噪聲變化曲線

圖7給出了納米晶、非晶和硅鋼定子鐵心在1.0 T，不同頻率下的噪聲變化曲線。由圖7可知，隨著頻率的增加，鐵心的噪聲整體上呈上升趨勢，在1 200～1 600 Hz之間，三種材料的鐵心噪聲均呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，并在1 400 Hz出現(xiàn)了極小值；在1 600～2 000 Hz之間也呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，并在1 800 Hz附近出現(xiàn)極值點。當工作頻率在400 Hz以下時，硅鋼定子鐵心的噪聲最低，非晶定子鐵心的噪聲最高；當工作頻率在400 Hz以上時，非晶定子鐵心的噪聲最高，納米晶定子鐵心的噪聲最低。

圖7 納米晶、非晶和硅鋼定子鐵心 在1.0 T，不同頻率下的噪聲變化曲線

2.3 定子鐵心的損耗分離

利用Magnet軟件對三種定子鐵心的損耗值進行了損耗分離。在軟件中，材料損耗特性由Steinmetz公式給定：

WC=ph+pe=KhfαBβ+Ke(sfB)2

式中：第一項ph為磁滯損耗；第二項pe為渦流損耗。

表2列出了納米晶、非晶和硅鋼鐵心的損耗參數(shù)。數(shù)據(jù)表明，硅鋼鐵心的渦流損耗系數(shù)顯著大于非晶和納米晶鐵心。

表2 納米晶、非晶和硅鋼定子鐵心的損耗參數(shù)

圖8給出了納米晶、非晶和硅鋼定子鐵心的損耗分離曲線。由圖8可知，隨著頻率的增加，三種定子鐵心的渦流損耗均大幅度增加，硅鋼定子鐵心的渦流損耗明顯高于非晶、納米晶定子鐵心。

圖8 納米晶、非晶和硅鋼定子鐵心的損耗分離曲線

3 結(jié) 語

本文研究了納米晶、非晶與硅鋼定子鐵心的磁性能和噪聲，并對三種定子鐵心的損耗值進行了損耗分離。結(jié)果表明：

1)在相同的頻率和磁密下，非晶定子鐵心的損耗不到硅鋼定子鐵心的10%，納米晶定子鐵心的損耗僅為硅鋼定子鐵心的3%左右。非晶、納米晶定子鐵心與硅鋼定子鐵心相比，用于高速電機中，可以大幅度降低鐵心的損耗。納米晶定子鐵心的低損耗優(yōu)勢更明顯且磁導率高，但是，其工作飽和磁密相對較低，適用于工作頻率更高且對電機效率要求更高的應用場合。

2)當工作頻率在400 Hz以下時，硅鋼定子鐵心的噪聲最低，非晶定子鐵心的噪聲最高；當工作頻率在400 Hz以上時，非晶定子鐵心的噪聲最高，納米晶定子鐵心的噪聲最低。

3)硅鋼鐵心的渦流損耗系數(shù)顯著大于非晶和納米晶鐵心。