混合定子鐵心再制造電機(jī)空載磁密規(guī)律

宋守許 許可 鮑曉華

摘要：將原電機(jī)中的定子硅鋼片與非晶合金片混合疊壓形成混合定子鐵心。在定子混合材料磁導(dǎo)率分析的基礎(chǔ)上對(duì)再制造電機(jī)空載磁密的z向規(guī)律和xy面規(guī)律進(jìn)行仿真研究。結(jié)果表明：定子非晶段和硅鋼段z向上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的磁密波形趨勢(shì)相同，非晶段磁密幅值小于硅鋼段磁密幅值;齒頂和齒根磁密幅值較大處，非晶合金和硅鋼交界處磁密波形會(huì)產(chǎn)生異變;非晶段和硅鋼段的齒中、軛部的磁密波形相同。再制造電機(jī)混合定子磁密規(guī)律的研究對(duì)計(jì)算電機(jī)損耗、指導(dǎo)混合定子電機(jī)設(shè)計(jì)等具有重要意義。

關(guān)鍵詞：再制造;混合疊壓;磁密規(guī)律;永磁同步電機(jī);混合定子;非晶合金

DoI：10.15938/j.emc.2019.08.012

中圖分類(lèi)號(hào)：TM351文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-449X（2019）08-0096-09

0引言

近年來(lái)，新能源汽車(chē)行業(yè)發(fā)展迅速，永磁電機(jī)作為新能源汽車(chē)的主要驅(qū)動(dòng)元件發(fā)揮著重要的作用，據(jù)報(bào)道以永磁同步電機(jī)為主要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的新能源汽車(chē)占有率已達(dá)90%。預(yù)計(jì)到2020年，永磁同步電機(jī)年報(bào)廢量將達(dá)到20萬(wàn)臺(tái)，如果對(duì)這些電機(jī)進(jìn)行再制造，不僅可以節(jié)約能源資源，也可保護(hù)環(huán)境。

永磁同步電機(jī)主要零部件包含機(jī)殼、端蓋、定轉(zhuǎn)子、繞組等。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)各模塊受電磁、溫度、振動(dòng)等不同影響，各模塊的原始性能參數(shù)會(huì)發(fā)生不同程度的變化，如果僅對(duì)零部件簡(jiǎn)單處理，而不對(duì)零部件的絕緣老化、部件應(yīng)力變化等問(wèn)題進(jìn)行深入研究分析，將很難使再制造電機(jī)性能達(dá)到或超越原電機(jī)性能。Erwin等運(yùn)用LCA評(píng)價(jià)方式對(duì)汽車(chē)發(fā)電機(jī)的再制造性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，SahilSahni、AustinBonnett、M Hasanuzzaman等從不同角度研究了繞組重繞對(duì)電機(jī)效率的影響，F(xiàn)ei w、Isabelle-Hof-man、Ni R等將鼠籠式感應(yīng)電機(jī)再制造成永磁同步電機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了分析研究，劉憬奇等將舊水泵電機(jī)的定子重新設(shè)計(jì)成高效定子鐵心實(shí)現(xiàn)了較好的節(jié)能效果和較短的投資回收期，閆曉玲等利用基于最小波包Shannon的方式對(duì)再制造電機(jī)的轉(zhuǎn)子故障診斷技術(shù)展開(kāi)了研究。目前電機(jī)再制造的對(duì)象主要是感應(yīng)電機(jī)，方式也多為更換繞組，而關(guān)于永磁同步電機(jī)再制造的研究還相對(duì)較少。

鐵基非晶合金具有高磁導(dǎo)、低損耗、低飽和磁通密度的特性。相同情況下其單位損耗僅是硅鋼損耗的六分之一，非晶合金在電機(jī)中的應(yīng)用是目前電機(jī)設(shè)計(jì)制造的焦點(diǎn)之一。韓雪巖等研究得出非晶合金可顯著降低電機(jī)鐵耗、提高電機(jī)效率，LE公司的研究初步解決了非晶合金定子鐵心加工難的問(wèn)題，中科院Fan、日立Enomoto、羅茲工業(yè)大學(xué)Dems等已將非晶合金應(yīng)用于不同類(lèi)型的電機(jī)，日立公司相繼研發(fā)了功率等級(jí)不同的非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)。對(duì)非晶電機(jī)的研究主要集中在新電機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用中。

基于永磁同步電機(jī)再制造，提出對(duì)舊電機(jī)進(jìn)行非破壞性拆解、檢測(cè)，對(duì)可再制造的機(jī)殼、軸承、端蓋等零件進(jìn)行再制造留用，將電機(jī)定子鐵心替換為非晶合金疊片和原定子硅鋼片組成混合定子的再制造方法。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置的變化及三相電流的周期性變化，使得兩種鐵磁材料的磁導(dǎo)率不斷的變化，在鐵磁材料內(nèi)部形成復(fù)雜變化的磁密分布。

1混合疊壓定子材料的磁導(dǎo)率分析

1.1新材料性能對(duì)比

再制造電機(jī)采用的硅鋼牌號(hào)為B35AVl900，非晶合金鐵心材料牌號(hào)為Metglas2605SAl。利用相關(guān)儀器測(cè)量得到非晶合金和硅鋼的磁性能參數(shù)，圖1和圖2分別為非晶和硅鋼材料的B-H曲線(xiàn)和損耗曲線(xiàn)。

由圖1、圖2可以看出在相同情況下硅鋼的導(dǎo)磁性能優(yōu)于非晶合金;非晶合金具有優(yōu)異的低損耗特性，相同情況下非晶合金損耗約為硅鋼材料損耗的1/6;但非晶合金飽和磁密較低。

1.2混合情況下的磁導(dǎo)分析

混合定子鐵心是由非晶合金定子塊和硅鋼定子塊軸向間隔疊壓而成，兩種鐵磁材料磁導(dǎo)率不同。對(duì)求解區(qū)域的鐵磁材料，磁場(chǎng)周期性變化，在一個(gè)周

混合定子鐵心包括硅鋼疊片、非晶合金疊片及疊片問(wèn)的間隙，其等效磁導(dǎo)率與非晶和硅鋼材料的磁性能以及疊片厚度等因素密切相關(guān)。利用等效磁路模擬磁通通過(guò)混合定子鐵心，圖（3）、圖（4）分別為磁通通過(guò)混合定子鐵心示意圖和等效磁路圖。非晶疊片、硅鋼疊片以及空氣氣隙組成并聯(lián)磁路，在交界處由于兩種材料磁性能不同，并且材料磁化率一直處于變化之中，其等效磁導(dǎo)率與其他地方明顯不同。Ra為非晶定子的磁阻，Rg為空隙部分的磁阻，RFe為硅鋼定子磁阻，其磁阻分別為：

當(dāng)鐵心磁密較小時(shí)，非晶和硅鋼的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空隙部分的磁導(dǎo)率，磁阻遠(yuǎn)小于空隙部位的磁阻，正是由于間隙磁阻的存在，非晶段定子和硅鋼段定子的磁密在交界處互不干擾。但是當(dāng)鐵心磁密值較大時(shí)，空隙部位磁阻減小，磁導(dǎo)率增大，于是空隙部位會(huì)對(duì)磁路的走向造成影響，且由于硅鋼定子和非晶定子的混合疊壓使用，會(huì)使交界面附近的磁密與其他位置不同。

2電機(jī)混合再制造仿真模型的建立

2.1再制造電機(jī)定子設(shè)計(jì)

以某公司內(nèi)置式永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，電機(jī)槽極配合為8極48槽，再制造電機(jī)參數(shù)如表l所示，再制造電機(jī)的混合定子鐵心由硅鋼定子段和非晶合金定子段軸向混合疊壓組成。硅鋼片厚度為0.35mm;非晶合金疊片厚度為0.027mm。

因鐵基非晶合金疊片厚度較薄、材料脆硬容易剝落的特性，將硅鋼疊片置于定子端部以保護(hù)非晶合金定子;為提高舊硅鋼片的利用率、提升電機(jī)經(jīng)濟(jì)性，混合定子鐵心中非晶合金疊片段和硅鋼疊片段長(zhǎng)度比例為1：1，混合定子鐵心模型如圖5所示。

2.2再制造電機(jī)仿真分析模型的建立

再制造混合電機(jī)定子z向?yàn)閮煞N材料構(gòu)成，由于兩種材料性質(zhì)的差異，二維仿真模型已無(wú)法滿(mǎn)足混合鐵心電機(jī)分析要求，故建立三維有限元模型如圖6所示。由電機(jī)的對(duì)稱(chēng)性，同時(shí)為節(jié)省計(jì)算機(jī)資源、減小仿真計(jì)算時(shí)間，取電機(jī)的八分之一（即一對(duì)極）作為求解區(qū)域，使用Ansoft Maxwell軟件建立混合電機(jī)模型，采用電流源激勵(lì)，采用靜態(tài)網(wǎng)格導(dǎo)入方式實(shí)行網(wǎng)格劃分，圖6和圖7分別為仿真模型和網(wǎng)格剖分圖。

3混合定子空載磁場(chǎng)分析方法

磁密分布與主、漏磁通的計(jì)算、鐵心飽和狀態(tài)、鐵耗的分布與求解、氣隙磁密的分析優(yōu)化等密切相關(guān)，故混合定子鐵心再制造電機(jī)磁密分布規(guī)律的研究具有重要意義。

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，非晶材料和硅鋼材料的磁疇隨轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)變化。由于非晶和硅鋼材料磁性能屬性不盡相同，因此表現(xiàn)出來(lái)的磁化能力也不同，故而鐵心磁密的幅值、波形在不同材料、不同位置處會(huì)有差異。根據(jù)再制造電機(jī)的周期性、對(duì)稱(chēng)性，對(duì)圖8（a）、圖8（b）、圖8（c）所示的點(diǎn)做對(duì)比分析研究再制造電機(jī)的磁密分布規(guī)律。

將定子鐵心分為齒頂區(qū)域、齒中區(qū)域、齒根區(qū)域和軛部區(qū)域分別進(jìn)行分析，分析定子鐵心磁密xy平面分布規(guī)律時(shí)，按照?qǐng)D8（a）所示在定子表面選取Ay-Hy（y=1～6）點(diǎn);對(duì)混合定子鐵心磁密z向分布規(guī)律徑向分析時(shí)，按照?qǐng)D8（b）、圖8（c）在混合定子鐵心上選取z坐標(biāo)不同，x、Y坐標(biāo)相同的Xi.j（i，j=0～8）進(jìn)行分析。

4混合定子鐵心空載磁密分布

4.1混合定子鐵心xy面磁密規(guī)律

在非晶定子段和硅鋼定子段中心位置的xy平面選取Ay-Hy（y=1～6）點(diǎn)，計(jì)算各點(diǎn)磁密并分析磁密分布規(guī)律。非晶定子段和硅鋼定子段切向磁密和徑向磁密分布如圖9所示;由圖可知，相比于其他區(qū)域，齒頂區(qū)域的磁密值更大，且靠近氣隙的齒頂4處的磁密值大于齒頂B處，非晶定子和硅鋼定子的徑向磁密和切向磁密波動(dòng)較大，齒對(duì)稱(chēng)軸兩側(cè)點(diǎn)磁密值對(duì)稱(chēng)，且對(duì)稱(chēng)軸附近點(diǎn)的磁密值大于遠(yuǎn)離對(duì)稱(chēng)軸的點(diǎn);齒中區(qū)域，非晶定子和硅鋼定子的切向磁密和徑向磁密幅值變化很小，幅值最為穩(wěn)定，切向磁密幅值在0.1T左右，徑向磁密幅值大于1T;齒根區(qū)域，徑向磁密和切向磁密幅值均在1T左右，幅值變化率約為20%;軛部區(qū)域，徑向磁密的幅值比切向磁密的幅值小0.5T左右，徑向磁密幅值變化率在6%左右，軛部沿x軸方向向外，徑向磁密幅值平均值呈線(xiàn)性減小，切向磁密幅值平均值不變?？傮w而言，相比于其他區(qū)域，定子齒根和齒頂區(qū)域的磁密幅值較大且變化不穩(wěn)定。

不同區(qū)域內(nèi)，非晶段和硅鋼段磁密幅值變化趨勢(shì)相同，但硅鋼定子的徑向磁密和切向磁密均大于對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)非晶定子的徑向磁密和切向磁密?；旌隙ㄗ予F心xy平面磁密和變化率如表2，由表可知，在齒根區(qū)域，硅鋼定子徑向磁密幅值最大變化率和切向幅值最大變化率均大于非晶定子，而軛部區(qū)域則正好相反，硅鋼定子徑向磁密幅值最大變化率和切向幅值最大變化率均小于非晶定子。

圖10為非晶定子段和硅鋼定子段中心位置的xy平面內(nèi)點(diǎn)y2（y=4～H）的徑向磁密和切向磁密波形圖，由圖可知，定子不同區(qū)域內(nèi)非晶定子段和硅鋼定子段的徑向磁密和切向磁密波形變化規(guī)律相近，但不同區(qū)域的波形畸變有所區(qū)別;由圖10（a）、圖10（b）可知，在齒頂位置，硅鋼定子的徑向磁密波形畸變大于對(duì)應(yīng)的非晶定子，其中齒頂a、b的波形畸變最大，而其他位置沒(méi)有明顯區(qū)別;由定子鐵耗損耗計(jì)算公式，并根據(jù)定子磁密分布可知定子單位平均損耗沿齒頂、齒中、齒根、軛部方向逐漸減小。

4.2混合電機(jī)定子z向磁密規(guī)律

對(duì)于普通永磁同步電機(jī)，電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁密沿軸向均勻分布，因此仿真計(jì)算時(shí)可以利用二維模型代替三維模型;而混合定子鐵心再制造電機(jī)由非晶定子段和硅鋼定子段間隔疊壓組成，因此z向磁密分布會(huì)有所變化。對(duì)再制造電機(jī)z向磁密分布規(guī)律進(jìn)行分析時(shí)，分別在硅鋼定子和非晶定子上選取x、y坐標(biāo)相同，z坐標(biāo)不同的點(diǎn)，如圖8所示。

圖11為混合定子鐵心xy平面各區(qū)域中點(diǎn)徑向磁密最大和切向磁密最大值沿z向分布，橫坐標(biāo)表示從硅鋼定子中心到非晶定子中心，0～4表示硅鋼定子中心位置到硅鋼定子與非晶定子交界處，4代表非晶定子段和硅鋼定子段的交界面，4～8表示從交界處到非晶定子中心位置。

由圖11可知在齒頂區(qū)域內(nèi)，對(duì)稱(chēng)軸兩側(cè)點(diǎn)的徑向磁密最大值沿z軸方向波動(dòng)較小，而其他點(diǎn)徑向磁密z向分布變化較大，并且在齒頂區(qū)域非晶定子和硅鋼定子的徑向磁密最大值沒(méi)有明顯的區(qū)別，在交界面4處，徑向磁密最大值呈現(xiàn)上“V”或下“V”形變化趨勢(shì);在齒中區(qū)域，非晶定子段徑向磁密值與硅鋼定子明顯不同，硅鋼定子的徑向磁密明顯更大，但非晶定子段和硅鋼定子段徑向磁密沿z軸方向基本保持不變;齒根區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)切向磁密沿軸向變化規(guī)律與齒中區(qū)域類(lèi)似;軛部區(qū)域，從0～4處，切向磁密最大值沿軸向慢慢增大，在兩種材料交界處達(dá)到最大值，而從4～8處切向磁密開(kāi)始慢慢減小，且切向磁密在交界面4處發(fā)生突變，硅鋼材料的切向磁密明顯大于非晶材料磁密值。

圖12（a）、圖12（b）分別為齒頂區(qū)域A3z（z=1～8）點(diǎn)徑向磁密和切向磁密波形圖。圖12（c）、圖12（d）為齒根區(qū)域E5-z（z=1～8）點(diǎn)徑向磁密和切向磁密波形，z為混合定子鐵心z向位置。由圖可知，混合定子鐵心A3-z（z=1～8）（即齒頂區(qū)域）各點(diǎn)徑向磁密波形變化趨勢(shì)相同，磁密波形畸變較大，在波峰區(qū)域波形畸變更為嚴(yán)重;對(duì)于E5-z（z=1～8）各點(diǎn)（齒根區(qū)域），在硅鋼定子段和非晶定子段中其切向磁密和徑向磁密波形基本相同，但不同z向位置的磁密幅值有所不同;對(duì)于齒中區(qū)域和軛部區(qū)域中各點(diǎn)徑向磁密和切向磁密波形變化趨勢(shì)基本一致，僅磁密幅值不同，由于文章篇幅限制沒(méi)有放置波形圖。

5結(jié)論

1）提出了永磁同步電機(jī)再制造的方法，即舊電機(jī)的機(jī)殼、端蓋等重新利用，將電機(jī)定子鐵心替換為由非晶合金疊片和原定子硅鋼片混合形成的混合定子鐵心。對(duì)電機(jī)混合定子鐵心空載磁密進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了電機(jī)定子混合再制造的可行性。

2）非晶段和硅鋼段各定子部位磁密波形趨勢(shì)相同;在同一時(shí)刻，定子上磁密較高處，非晶段中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的磁密比硅鋼段中對(duì)應(yīng)點(diǎn)小0.5T左右;在非晶材料和硅鋼材料同時(shí)被磁化的情況下，當(dāng)定子兩材料交界面某處磁密幅值較大時(shí)，即磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，會(huì)對(duì)相近位置點(diǎn)的磁密產(chǎn)生影響，使得交界處磁密不同于兩種材料中的磁密。

3）研究了空載情況下再制造電機(jī)混合定子的z向和XY面磁密規(guī)律。XY面磁密幅值關(guān)于齒的軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，齒頂處徑、切向磁密幅值較大，且點(diǎn)點(diǎn)之間波動(dòng)較大;齒中處切向磁密幅值變化微小，幅值較為穩(wěn)定;齒根處徑向磁密比切向幅值小0.5T左右;軛部徑向磁密幅值向外成直線(xiàn)減小，切向磁密幅值平均值不變。

4）齒頂處點(diǎn)的磁密波形畸變較大，齒根次之，靠近齒槽處的齒根、軛部上的點(diǎn)的磁密稍有畸變，單位平均損耗沿齒頂、齒中、齒根、軛部逐漸減小。

5）對(duì)再制造電機(jī)定子空載磁密的研究，為鐵心損耗的計(jì)算、溫升控制等提供了理論支持，為混合定子鐵心再制造電機(jī)的電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。