定轉(zhuǎn)子材料組合方式對(duì)再制造電機(jī)性能影響

宋守許,夏 燕,胡孟成

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009；2.機(jī)械工業(yè)綠色設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230009)

0 引 言

《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021年-2035)》擬提出，到2035年新能源汽車產(chǎn)業(yè)綜合實(shí)力要達(dá)到世界先進(jìn)水平[1]。永磁同步電機(jī)憑借其高功率密度、高效率和良好動(dòng)態(tài)性能在新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)中占比高達(dá)83.08%，呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[2]。這無疑會(huì)導(dǎo)致淘汰電機(jī)數(shù)量激增，造成極大資源浪費(fèi)，對(duì)其進(jìn)行再制造意義深遠(yuǎn)。低效電機(jī)的強(qiáng)制性淘汰，已成為中國工業(yè)轉(zhuǎn)型過程中必須攻克的難題，而將淘汰的低效電機(jī)經(jīng)過重新設(shè)計(jì)、更換零部件等方法，再制造成高效電機(jī)，可以極大程度推進(jìn)我國電機(jī)系統(tǒng)能效提升工作[3]。目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)電機(jī)的再制造展開初步研究。張炳義等[4]針對(duì)大型異同步電動(dòng)機(jī),將其直流勵(lì)磁線圈等效為永磁體，再制造成自起動(dòng)永磁電機(jī)；劉憬奇等[5]采用電機(jī)高效再制造技術(shù)，保留了原電機(jī)轉(zhuǎn)子部分，定子改為新設(shè)計(jì)高效定子鐵心，節(jié)能效果明顯；倪榮剛[6]將三相感應(yīng)電機(jī)再制造為永磁同步電機(jī),以較小成本實(shí)現(xiàn)了電機(jī)設(shè)備能效提升；楊二楓[7]面向再制造電機(jī)，對(duì)定子繞組的評(píng)價(jià)方法開展了研究；SCHAU等[8]利用生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)車用電機(jī)的再制造性進(jìn)行了評(píng)估。但是目前的研究主要是針對(duì)感應(yīng)電機(jī)以及定子繞組，電機(jī)類型在再制造過程中可能發(fā)生變化，關(guān)于永磁同步電機(jī)的再制造尤其是鐵心采用兩種材料組合疊壓的研究較少。

定轉(zhuǎn)子鐵心密切影響電機(jī)綜合性能。非晶合金具有優(yōu)異的磁性，耐腐蝕性、耐磨性、高硬度、強(qiáng)度和韌性，高磁導(dǎo)率和機(jī)電耦合性能等[9]。部分研究發(fā)現(xiàn)，非晶合金應(yīng)用于電機(jī)定子鐵心可以降低定子鐵耗從而提升電機(jī)效率，但隨負(fù)載率增大效率優(yōu)勢(shì)減小[10-11]。非晶合金磁致伸縮系數(shù)大，鐵心疊壓系數(shù)低，導(dǎo)致電機(jī)電磁振動(dòng)加大進(jìn)而引起振動(dòng)噪聲性能變差[12-13]?？梢?，目前的研究主要將非晶合金材料應(yīng)用于定子鐵心，在降低鐵耗提高效率的同時(shí)，會(huì)引起電機(jī)振動(dòng)加劇。但鮮有涉及將電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心采用硅鋼和非晶合金兩種材料組合進(jìn)行再制造和具體組合方式的探討，對(duì)電機(jī)的性能影響也需進(jìn)一步進(jìn)行研究。

為節(jié)約資源和提升原電機(jī)性能，本文提出將非晶合金疊片與原電機(jī)硅鋼片組合疊壓，研究了定轉(zhuǎn)子鐵心材料組合方式對(duì)于電機(jī)綜合性能的影響，并確定了最佳的組合方式；針對(duì)再制造電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩增大的問題，利用二維疊加算法近似替代三維計(jì)算，通過分段設(shè)置定子斜槽大幅削弱齒槽轉(zhuǎn)矩至原電機(jī)水平之下。

1 電機(jī)參數(shù)及鐵心材料

1.1 電機(jī)參數(shù)

以某公司一臺(tái)服役多年的車用永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，將其進(jìn)行拆卸，對(duì)拆卸下來的零部件進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)合格的零部件直接留用，有輕微損傷的零部件進(jìn)行修復(fù)后使用，損毀嚴(yán)重的零部件直接更換，將非晶合金疊片與原硅鋼片組合應(yīng)用于電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心進(jìn)行電機(jī)再制造，以期改善電機(jī)綜合性能。其中，原電機(jī)主要尺寸和性能參數(shù)如表1所示。

表1 原電機(jī)主要參數(shù)

1.2 鐵心材料

原電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心均為硅鋼片，材料牌號(hào)為B35AV1900(國內(nèi)牌號(hào)101K)，再制造電機(jī)中非晶合金疊片材料牌號(hào)為Metalas2605SA1。借助湖南聯(lián)眾MATS-2010S軟磁測(cè)量裝置，測(cè)得硅鋼與非晶合金兩種材料的特性曲線如圖1所示。

圖1 兩種材料的的特性曲線

由圖1可知，在同一磁場(chǎng)強(qiáng)度下，硅鋼材料中的磁通密度(以下簡(jiǎn)稱磁密)高于非晶材料，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，磁密趨于飽和，硅鋼材料和非晶合金材料的飽和磁密分別約為1.80 T和1.44 T。相同條件下，非晶合金材料的鐵耗約為硅鋼材料的1/6，具有良好的低損耗特性。

2 再制造定轉(zhuǎn)子材料組合方式

根據(jù)前期的研究成果，將電機(jī)定子鐵心采用兩種材料疊片混合疊壓，綜合考慮成本和效率時(shí)，硅鋼和非晶合金兩種材料按照1∶1的比例混合疊壓較為理想[14]。為充分利用原電機(jī)硅鋼片和提升其電磁性能，在前期研究成果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究硅鋼和非晶合金兩種材料組合應(yīng)用于轉(zhuǎn)子鐵心對(duì)再制造電機(jī)性能的影響，基于定轉(zhuǎn)子材料不同組合方式提出以下3種電機(jī)再制造方案，對(duì)應(yīng)模型如圖2所示，其中A和S分別代表非晶和硅鋼材料，電機(jī)軸向具體尺寸參數(shù)如表2所示：

方案1：將定子鐵心用硅鋼疊片和非晶疊片按照1∶1的比例混合疊壓，設(shè)置5段，將硅鋼段設(shè)置在外側(cè)，轉(zhuǎn)子留用原硅鋼片，記作電機(jī)A。

方案2：在方案1基礎(chǔ)上，將轉(zhuǎn)子鐵心用硅鋼疊片和非晶疊片按1∶1比例混合疊壓，設(shè)置5段，將硅鋼疊片設(shè)置在外側(cè)，使再制造電機(jī)的定轉(zhuǎn)子鐵心在軸向采用同種材料相對(duì)，記作電機(jī)B。

方案3：在方案2基礎(chǔ)上，將轉(zhuǎn)子中的非晶合金疊片設(shè)置在外側(cè)，使再制造電機(jī)的定轉(zhuǎn)子鐵心在軸向采用異種材料相對(duì)，記作電機(jī)C。

圖2 3種再制造方案電機(jī)模型對(duì)比

表2 原電機(jī)與3種再制造電機(jī)軸向尺寸參數(shù)

電機(jī)類型定子轉(zhuǎn)子硅鋼段非晶段硅鋼段非晶段段長(zhǎng)/mm段數(shù)段長(zhǎng)/mm段數(shù)段長(zhǎng)/mm段數(shù)段長(zhǎng)/mm段數(shù)原電機(jī)1051--1051--A17.5326.2521051--B17.5326.25217.5326.252C17.5326.25226.25217.53

3 再制造電機(jī)電磁性能分析

3.1 再制造電機(jī)的模型建立與網(wǎng)格剖分

良好的網(wǎng)格剖分，是利用電磁場(chǎng)有限元軟件進(jìn)行電磁分析的前提和基礎(chǔ)，尤其是對(duì)于瞬態(tài)場(chǎng)和3D模型。為節(jié)約時(shí)間建立電機(jī)的1/8周期模型，以電機(jī)B模型為例，網(wǎng)格剖分情況如圖3所示。

圖3 電機(jī)B三維模型的網(wǎng)格剖分情況

3.2 定轉(zhuǎn)子材料組合方式對(duì)磁密影響

取各電機(jī)定轉(zhuǎn)子軸向中間位置處的氣隙進(jìn)行研究，并對(duì)一個(gè)周期的氣隙磁密波形作傅里葉分解，結(jié)果如圖4所示。

圖4 氣隙磁密

由上圖可知：原電機(jī)的氣隙磁密波形偏梯形波，基波幅值約為0.842 T；電機(jī)A的氣隙磁密波形正弦性較好，基波幅值約為0.895 T；電機(jī)B和電機(jī)C的磁密基波幅值分別約為0.926 T和0.921 T。忽略端部效應(yīng)，原電機(jī)磁密沿軸向近似相等，而再制造電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心由于存在非晶合金段和硅鋼段，材質(zhì)間性質(zhì)的明顯差異可能會(huì)對(duì)電機(jī)磁密沿軸向分布帶來影響。進(jìn)一步研究3種再制造電機(jī)的氣隙磁密沿軸向的分布規(guī)律，從軸向端面開始在氣隙中間半徑處取第1條圓弧，軸向每隔2.5 mm依次取圓弧，共43條圓弧，得到電機(jī)A、B和C沿軸向各圓弧的氣隙磁密基波幅值如圖5所示。

圖5 氣隙磁密軸向分布

其中，L1、L2、L3和L4分別為硅鋼疊片段與非晶合金疊片段的分界面。由圖5可知，由于鐵心在軸向材質(zhì)的變化，磁密沿軸向不再均勻分布，由于端部效應(yīng)的影響，兩端處氣隙磁密基波較低，電機(jī)C受端部效應(yīng)影響更為嚴(yán)重。電機(jī)A在兩種材料交界處，氣隙磁密基波明顯降低，導(dǎo)致磁密沿軸向波動(dòng)較大，會(huì)對(duì)電機(jī)性能帶來不利影響。電機(jī)B和C由于轉(zhuǎn)子中加入了非晶材料，交界面處氣隙磁密基波有所改善，觀察不同分段的磁密基波值，可以發(fā)現(xiàn)定子材料起主要作用。

3.3 定轉(zhuǎn)子材料組合方式對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩和鐵耗影響

額定負(fù)載下，利用Maxwell瞬態(tài)場(chǎng)求解器仿真分析，設(shè)置轉(zhuǎn)速為3000 r/min-1，有效電流為I=48 A，得到原電機(jī)與再制造電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和鐵耗分別如圖6和圖7所示。

圖6 原電機(jī)與再制造電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩

轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的計(jì)算公式為

(1)

式中,Tmax為轉(zhuǎn)矩最大值，Tmin為轉(zhuǎn)矩最小值，Tavg為轉(zhuǎn)矩平均值。

結(jié)合仿真結(jié)果和式(1)，計(jì)算得原電機(jī)與再制造電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能如表3所示。

表3 原電機(jī)與再制造電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能

結(jié)合圖6和表3易知，電機(jī)A的平均輸出轉(zhuǎn)矩降低了1.97 Nm，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大，容易使電機(jī)效率降低并引發(fā)振動(dòng)等問題。電機(jī)B和C相比于原電機(jī)，平均輸出轉(zhuǎn)矩增大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小，其中電機(jī)B轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，降低了6.45%，電機(jī)的輸出能力和輸出穩(wěn)定性得到明顯改善。

由圖7可以看出，在t=5 ms后鐵耗值趨于穩(wěn)定。計(jì)算可知：運(yùn)行穩(wěn)定后，原電機(jī)的平均鐵耗為194.89 W，電機(jī)A、B、C的平均鐵耗依次為102.39、91.55、91.10 W。

圖7 原電機(jī)與再制造電機(jī)的鐵耗

結(jié)合以上分析可知，定子采用兩種材料混合疊壓能夠有效降低電機(jī)鐵耗，但會(huì)帶來輸出轉(zhuǎn)矩收縮，進(jìn)一步將兩種材料組合應(yīng)用于轉(zhuǎn)子，鐵耗值的降低變緩，但對(duì)于提升輸出轉(zhuǎn)矩效果顯著。

3.4 定轉(zhuǎn)子材料組合方式對(duì)效率影響

電機(jī)效率的計(jì)算公式為

(2)

(3)

PCu=I2R

(4)

式中，P1為電機(jī)輸出功率；T為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；PCu為電機(jī)銅耗；PFe為電機(jī)鐵耗；R為電機(jī)繞組電阻值；I為電流有效值。

結(jié)合3.3節(jié)分析結(jié)果及電機(jī)相關(guān)參數(shù)代入式(2)～式(4)可知，額定工況下，原電機(jī)的效率為97.58%，電機(jī)A、B、C的效率分別為98.15%、98.35%、98.36%，相比于原電機(jī)明顯增加，有利于電機(jī)能效提升。

3.5 定轉(zhuǎn)子材料組合方式對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩影響

當(dāng)線圈輸入激勵(lì)為0時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩即為由齒槽和永磁體作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。設(shè)置轉(zhuǎn)速為1(°)/s，步長(zhǎng)0.125 s，求得電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩的變化如圖8所示。

圖8 原電機(jī)與再制造電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩

結(jié)果表明，齒槽轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間呈周期變化，原電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩幅值為0.277 Nm，電機(jī)A、B、C齒槽轉(zhuǎn)矩幅值分別增至1.813、1.426、1.489 Nm，非晶合金材料鐵心的添加，使得再制造電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩大幅增加，主要是因?yàn)榉蔷Ш辖鸠B壓系數(shù)低，磁致伸縮系數(shù)大的緣故，后續(xù)有必要進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行削弱以改善再制造電機(jī)性能。

4 最佳定轉(zhuǎn)子材料組合方式

結(jié)合第3節(jié)分析，得到原電機(jī)與定轉(zhuǎn)子材料不同組合方式對(duì)應(yīng)的再制造電機(jī)性能指標(biāo)如表4所示。相比于原電機(jī)，電機(jī)A氣隙磁密基波值略有提升，鐵心損耗大幅降低了47.5%，但齒槽轉(zhuǎn)矩增加至1.813 Nm，約為原電機(jī)的6.5倍，不利于電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，且輸出轉(zhuǎn)矩存在明顯收縮，影響電機(jī)出力；電機(jī)C氣隙磁密基波值提高了9.38%，輸出轉(zhuǎn)矩增大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低，效率提升顯著，但靠近軸向兩端部處磁密較低，受端部效應(yīng)影響嚴(yán)重；而電機(jī)B雖然輸出轉(zhuǎn)矩和效率略低于電機(jī)C，但氣隙磁密基波幅值提高了9.98%，且在軸向的分布受端部影響較小，輸出轉(zhuǎn)矩提高了2.11%，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低了6.45%，效率提升至98.35%，齒槽轉(zhuǎn)矩也相對(duì)在3種電機(jī)中最小，綜合性能最優(yōu)。由此可見，非晶合金應(yīng)用于電機(jī)定子中可以明顯降低鐵耗，轉(zhuǎn)子中繼續(xù)應(yīng)用對(duì)于鐵耗的降低作用不大，但是能夠彌補(bǔ)輸出轉(zhuǎn)矩減小的問題。此外，非晶合金加工過程易受到應(yīng)力影響，放置在兩端會(huì)導(dǎo)致加工工藝成本增加，綜合考慮電機(jī)性能和成本，選擇方案2對(duì)原電機(jī)進(jìn)行再制造，即再制造電機(jī)B。

表4 電機(jī)性能指標(biāo)對(duì)比

5 再制造電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩分析及優(yōu)化

再制造電機(jī)旨在充分利用淘汰電機(jī)零部件，故優(yōu)化齒槽轉(zhuǎn)矩應(yīng)以盡量少改動(dòng)零部件結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)則。結(jié)合工程實(shí)際以及再制造特點(diǎn)綜合考慮，選擇采用定子斜槽的方式對(duì)再制造電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化。

電樞斜槽時(shí)，電機(jī)氣隙磁密和永磁體中的磁場(chǎng)能量如式(5)所示[15]：

(5)

齒槽轉(zhuǎn)矩為

(6)

式中,LFe為電樞鐵心的軸向長(zhǎng)度；μ0為真空磁導(dǎo)率；Ns為電樞所斜槽數(shù)；θs1為用弧度表示的電樞齒距；R1和R2分別定子軛內(nèi)半徑和電樞外半徑；p為極對(duì)數(shù)；α為定轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置角；z為電樞槽數(shù)；n為使nz/2p為整數(shù)的整數(shù)。

文獻(xiàn)[14]基于能量法提出以二維分段疊加算法近似替代三維計(jì)算電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的方法，并驗(yàn)證了可行性。針對(duì)本文所提出電機(jī)模型，共有5段，可以通過Maxwell 2D分段設(shè)置定子斜槽，并將仿真得到的齒槽轉(zhuǎn)矩疊加，近似計(jì)算再制造電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。分別取定子斜槽數(shù)Ns為0.25、0.5、0.75和1個(gè)齒距進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示?？傻?，斜槽數(shù)為1時(shí)，再制造齒槽轉(zhuǎn)矩幅值最小，為0.052 N.m，約為原電機(jī)的19%。二維疊加替代三維計(jì)算存在略有偏小的現(xiàn)象，但是仍能說明斜槽數(shù)為1時(shí)，再制造電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩明顯削弱至原電機(jī)水平之下。

圖9 不同斜槽數(shù)時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩

6 結(jié) 論

(1)提出將非晶合金與硅鋼材料組合應(yīng)用于電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心，并基于具體組合方式提出了3種電機(jī)再制造方案。

(2)基于電磁場(chǎng)有限元仿真分析了3種方案對(duì)應(yīng)的再制造電機(jī)模型，綜合比較了氣隙磁密、輸出轉(zhuǎn)矩及其脈動(dòng)、鐵耗、效率和齒槽轉(zhuǎn)矩等性能指標(biāo)，確定最佳定轉(zhuǎn)子材料組合方式為定轉(zhuǎn)子均采用兩種材料組合疊壓，且在軸向采用同種材料相對(duì)，將硅鋼材料設(shè)置在兩端。

(3)與原電機(jī)相比，按照方案2制成的再制造電機(jī)B效率提升0.75%，輸出轉(zhuǎn)矩增加1.43%，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低6.45%，鐵心損耗降低了53.02%，驗(yàn)證了再制造方案的可行性和優(yōu)越性。

(4)與原電機(jī)相比，再制造電機(jī)B的齒槽轉(zhuǎn)矩大幅增加至1.426 Nm，采用二維疊加近似替代三維計(jì)算，分段設(shè)置定子斜槽，當(dāng)斜槽數(shù)為1個(gè)齒距時(shí)，再制造電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩幅值大幅削弱至原電機(jī)水平之下。