鐵心應(yīng)力對永磁電機(jī)性能的影響*

鄭 永 ，孫瑞杰

（包頭長安永磁電機(jī)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展推動了永磁電機(jī)產(chǎn)業(yè)專業(yè)化趨勢的進(jìn)一步形成，對電機(jī)相關(guān)性能、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定性等方面都提出了更高的要求，永磁電機(jī)要想在更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域獲得發(fā)展，必須從各個環(huán)節(jié)強(qiáng)化相關(guān)性能，使得電機(jī)的整體質(zhì)量和性能指標(biāo)都達(dá)到更高水準(zhǔn)。隨著永磁電機(jī)應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，電機(jī)制造材料需要達(dá)到的應(yīng)力強(qiáng)度和電磁性能，充分提升永磁電機(jī)制造時的總體性能。因此，相關(guān)課題的研究，對于永磁電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域拓展有著極其重要的影響[1]。

1 永磁電機(jī)鐵心材料性能分析

對于永磁電機(jī)來說，鐵心是電機(jī)內(nèi)非常重要的組成部分，對于鐵心材料的選擇，需要充分考慮導(dǎo)磁性能能否滿足永磁電機(jī)工作需要。通常情況下，永磁電機(jī)都選擇電工鋼作為鐵心材料，其主要原因就是電工鋼在導(dǎo)磁性能方面的表現(xiàn)較好。電機(jī)鐵心材料的選擇對于永磁電機(jī)的整體性能以及電機(jī)成本控制都有非常重要的影響，當(dāng)永磁電機(jī)進(jìn)行制造、裝配和正式運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中會在鐵心上形成一定的應(yīng)力。而應(yīng)力的存在會直接影響到電工鋼片的磁導(dǎo)性能，造成導(dǎo)磁能力不同程度的下降，永磁電機(jī)的性能因此會有所下降，并且會增加電機(jī)損耗。

對于高品質(zhì)的永磁電機(jī)產(chǎn)品來說，其性能指標(biāo)非常嚴(yán)格苛刻。在永磁電機(jī)的設(shè)計制造中，對材料的選擇和利用要求越來越高，甚至接近材料性能的極限標(biāo)準(zhǔn)和水平，作為永磁電機(jī)鐵心材料的電工鋼，在相關(guān)

應(yīng)用技術(shù)以及鐵耗精確計算等方面必須達(dá)到非常高的精確度要求，才能滿足實際需要。原來所運(yùn)用的傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計的方法計算電工鋼的電磁特性顯然是不準(zhǔn)確的，因為這些常規(guī)方法主要針對常規(guī)條件，計算結(jié)果會有較大偏差[2]。因此，需要一種新的計算方法針對應(yīng)力場條件下的電工鋼導(dǎo)磁性能和鐵損情況進(jìn)行精確計算，使得鐵心材料的應(yīng)用水平更高，永磁電機(jī)的效率等性能指標(biāo)達(dá)到更高水平。

2 永磁電機(jī)鐵心材料性能的實驗研究

電工鋼作為永磁電機(jī)鐵心材料的主要選擇，鐵心材料的應(yīng)力-磁感性能和應(yīng)力-鐵損性能是永磁電機(jī)設(shè)計和制造中重點關(guān)注的內(nèi)容，通過具體實驗探究相關(guān)性能，是進(jìn)行鐵心材料性能鑒定和選擇的基礎(chǔ)。利用實驗方式充分研究相關(guān)課題，也是保證相關(guān)選擇、滿足設(shè)計和應(yīng)用的必要條件。

2.1 電工鋼作為永磁電機(jī)鐵心材料的應(yīng)力-磁性能實驗分析

通過實驗的方式研究電工鋼的應(yīng)力-磁性能是永磁電機(jī)鐵心設(shè)計必須進(jìn)行的一個程序，在本文的研究中，電工鋼材料的厚度為0.35 mm，電工鋼測試應(yīng)力設(shè)定范圍為-160 MPa～160 MPa，負(fù)值為壓縮狀態(tài)，正值為拉伸狀態(tài)。實驗?zāi)康木褪窃谠搼?yīng)力條件下電工鋼發(fā)生損耗以及對應(yīng)的磁感特性?？紤]到電工鋼作為永磁電機(jī)的鐵心材料，因此實驗中需要模擬工況下永磁電機(jī)鐵心材料的應(yīng)力-磁性能，所以將材料結(jié)構(gòu)以及周圍磁場分布采取周向?qū)ΨQ設(shè)置，并在測試時取橫向和軋向片組樣，所得結(jié)果為電工鋼應(yīng)力-磁性能量化均值[3]。

2.1.1 電工鋼應(yīng)力-磁感性能分析

通過相關(guān)實驗及其結(jié)果的分析，導(dǎo)致鐵心材料導(dǎo)磁性能發(fā)生退化的最主要表現(xiàn)是鐵心磁彈性能以及鐵心應(yīng)力退磁，因此，相關(guān)研究必然將此作為主要的研究方向。具體來說，其分析可從兩個方面進(jìn)行。

首先，按照相關(guān)鐵磁學(xué)理論，無取向電工鋼的鐵磁性能表現(xiàn)為各向同性。如果構(gòu)成電工鋼的磁性多晶材料被外加一定強(qiáng)度的單軸應(yīng)力，當(dāng)磁化強(qiáng)度與應(yīng)拉力在方向上趨于一致，則會使得磁化效果加強(qiáng)，在此條件下，外加壓力使得材料的磁彈性能處于較低水平。當(dāng)磁化強(qiáng)度逐漸向垂直壓力方向轉(zhuǎn)動，使得電工鋼的磁化作用受到影響，材料導(dǎo)磁性能會顯著降低。

其次，對于電工鋼材料的應(yīng)力退磁現(xiàn)象，所承受的應(yīng)力將導(dǎo)致材料內(nèi)部晶粒排列有所改變，包括晶粒的排列方向以及位置都與原來有很大差異。這種改變會導(dǎo)致晶面方向形成新的磁極，進(jìn)而創(chuàng)造了一個相悖于外加磁場方向的退磁磁場，兩相抵消，電工鋼磁化難度加大，材料的磁導(dǎo)率也因此降低，外應(yīng)力作用下發(fā)生退磁問題。且外加壓應(yīng)力越大，退磁場也會快速增加，而拉應(yīng)力對于退磁效應(yīng)的影響并不顯著[4]。

2.1.2 電工鋼應(yīng)力-鐵損性能分析

對電工鋼的應(yīng)力-鐵損性能進(jìn)行研究，需要重點考慮兩個指標(biāo)：矯頑力及剩磁，這兩個指標(biāo)可以表征軟磁材料的性能，通過明確這兩個指標(biāo)，可以獲知電工鋼的磁疇結(jié)構(gòu)以及材料特性。同時，矯頑力的大小和電工鋼材料發(fā)生反磁化現(xiàn)象高度相關(guān)，可以直接決定電工鋼的損耗特性。這些情況可進(jìn)一步說明矯頑力及剩磁研究的必要性，也是相關(guān)研究中一個非常重要的內(nèi)容[5]。

實驗發(fā)現(xiàn)，壓應(yīng)力作用下，材料中以疇壁位移機(jī)制為主要模式，隨著壓應(yīng)力逐漸增大，矯頑力與磁滯回線的影響范圍進(jìn)一步增大，此時，電工鋼材料的鐵損值會持續(xù)增加。在拉應(yīng)力作用下，材料中的反磁化機(jī)制也會以疇壁位移機(jī)制為主要模式，在此情況下，疇壁釘扎會持續(xù)降低，矯頑力和鐵損值也會顯著降低。對于普通電工鋼材料，拉應(yīng)力超過20 MPa時，材料中出現(xiàn)的反磁化起主導(dǎo)作用的是磁疇轉(zhuǎn)動機(jī)制，此時，電工鋼材料在各向異性方面的差異逐漸增大，使得矯頑力和鐵損值也會進(jìn)一步增大[6]。

當(dāng)應(yīng)力作用發(fā)生改變，電工鋼材料的磁感和損耗隨之改變，通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，對于電工鋼材料而言，在-40 MPa～40 MPa的應(yīng)力范圍內(nèi)，這是電工鋼材料磁性能最為敏感的區(qū)域，且處于0～20 MPa拉應(yīng)力范圍內(nèi)時，電工鋼磁性能還會有一定優(yōu)化效果。

2.2 永磁電機(jī)電工鋼鐵心應(yīng)力分析

分析永磁電機(jī)工況下的鐵心所受應(yīng)力影響，應(yīng)力來源有很多種，且各種應(yīng)力來源呈現(xiàn)出很多完全不同的性質(zhì)。從永磁電機(jī)定子鐵心應(yīng)力形式來看，其形成的來源包括沖剪、鉚焊、疊壓、機(jī)殼過盈裝配等，而影響面積最大最顯著的是機(jī)殼過盈裝配導(dǎo)致的應(yīng)力作用。對于永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子而言，其承受的應(yīng)力來源主要包括熱應(yīng)力、離心力、電磁力等，相比普通電機(jī)，永磁電機(jī)正常情況下的轉(zhuǎn)速比較高，同時在轉(zhuǎn)子鐵心部位還要設(shè)置隔磁結(jié)構(gòu)。因此，離心應(yīng)力是最主要的應(yīng)力來源[7]。

永磁電機(jī)外形特征大體呈現(xiàn)圓柱狀，在對電機(jī)鐵心進(jìn)行受力分析時選擇圓柱坐標(biāo)系會更加方便一些。永磁電機(jī)機(jī)殼過盈裝配導(dǎo)致產(chǎn)生的定子鐵心應(yīng)力主要以壓應(yīng)力方式存在，其作用點集中在電機(jī)定子鐵心的軛部，應(yīng)力方向表現(xiàn)為圓周切向。而永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子離心力形成應(yīng)力性質(zhì)是拉應(yīng)力，該應(yīng)力幾乎完全作用在轉(zhuǎn)子的鐵心上，其最大離心應(yīng)力作用在永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子隔磁橋與加強(qiáng)筋交匯的地方，使得該部位容易因此發(fā)生性能下降的情況。

3 鐵心應(yīng)力對永磁電機(jī)總體性能影響分析

鐵心應(yīng)力是永磁電機(jī)工況下不可避免的情況，因為鐵心應(yīng)力的存在，會對鐵心材料的導(dǎo)磁性能有很大影響，進(jìn)而造成永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、磁場分布以及電感量等重要指標(biāo)下降。通過研究分析永磁電機(jī)鐵心應(yīng)力對磁場性能指標(biāo)的影響，掌握其規(guī)律，可以為永磁電機(jī)設(shè)計精度的提升奠定技術(shù)基礎(chǔ)[8]。

3.1 鐵心應(yīng)力對永磁電機(jī)磁場的影響

受應(yīng)力場作用的直接影響，永磁電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部的磁導(dǎo)率分布產(chǎn)生一定變化，轉(zhuǎn)子鐵心以及定子齒部因所處位置發(fā)生變化相對較小，而電機(jī)定子的軛部磁導(dǎo)率變化就比較顯著。對永磁電機(jī)關(guān)鍵部位磁密變化進(jìn)行分析，在飽和作用影響下電機(jī)轉(zhuǎn)子加強(qiáng)筋及隔磁橋等處的磁密度并沒有太大變化。電機(jī)定子以及主磁路等位置磁密度有非常顯著的變化。這也可以進(jìn)一步說明永磁電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中鐵心應(yīng)力對于電機(jī)磁密度分布以及導(dǎo)磁性能的作用。

對永磁電機(jī)應(yīng)力場中鐵心磁導(dǎo)率進(jìn)行求解，具體方法為通過材料應(yīng)力條件作用效果與電機(jī)磁感曲線進(jìn)行擬合，所得的就是比較準(zhǔn)確的結(jié)果。實際求解時還要計算機(jī)仿真電機(jī)的定轉(zhuǎn)子鐵心應(yīng)力，利用專業(yè)軟件進(jìn)一步求解電機(jī)磁場以及鐵心磁導(dǎo)率，其數(shù)值的精確度通過對相關(guān)參數(shù)選擇而得到更加有效的保證[9]。

3.2 應(yīng)力對鐵心損耗的影響

對應(yīng)力條件下永磁電機(jī)鐵耗的計算，一般情況下均采用Bertotti鐵耗分離模型，并將其與材料損耗測試曲線進(jìn)行擬合，得到相應(yīng)的結(jié)果。對于應(yīng)力與損耗的作用機(jī)理主要是來自應(yīng)力退磁效應(yīng)和疇壁位移機(jī)制的影響，這些作用不會對電工鋼電導(dǎo)率以及原有的各種渦流損耗等產(chǎn)生影響，在實際計算中不必調(diào)整這些內(nèi)容。對于確定轉(zhuǎn)速工況的情況，分析永磁電機(jī)發(fā)生鐵損的具體分布，因為受到應(yīng)力作用，永磁電機(jī)定子的軛部壓應(yīng)力會比較集中，該部位損耗較大，性能明顯惡化，永磁電機(jī)定子軛部存在較大的鐵耗問題，尤其是定子齒軛交接部位鐵耗受應(yīng)力影響增加幅度最大。

在實際研究中，可以利用仿真方法通過建立永磁電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行相關(guān)計算，通過計算發(fā)現(xiàn)永磁電機(jī)鐵耗因為拉應(yīng)力影響增加了40%～50%，這一增加幅度還是比較驚人的，因此也造成了永磁電機(jī)總損耗的顯著增加。通過分析還可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)鐵耗是壓應(yīng)力影響導(dǎo)致定子鐵心形成的主要損耗形式，對于電機(jī)轉(zhuǎn)子來說，運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下鐵心處于離心拉應(yīng)力狀態(tài)下，不但不會增加鐵心損耗，反而還會有一定的改善效果。

3.3 應(yīng)力對電感量與轉(zhuǎn)矩的影響

因為應(yīng)力的作用使得永磁電機(jī)鐵心磁導(dǎo)性能嚴(yán)重下降，這同時還造成了永磁電機(jī)的嚴(yán)重?fù)p耗問題，電機(jī)磁阻與電感參數(shù)變化，進(jìn)而主磁通量與漏磁通量都發(fā)生變化。通過分析和計算永磁電機(jī)應(yīng)力場，可以對電機(jī)軸電流-電感特性進(jìn)行更加細(xì)致的仿真研究。電機(jī)鐵心磁感性能在鐵心應(yīng)力條件下發(fā)生惡化，其軸電感會一定程度降低，具體分析永磁電機(jī)磁路，軸磁路主要包括三個部分：氣隙、永磁體和定轉(zhuǎn)子鐵心，其中，永磁體是最主要的部分[10]。

基于這一原因，當(dāng)永磁電機(jī)鐵心磁感性能發(fā)生改變時，并不能造成軸電感發(fā)生很大的變化。永磁電機(jī)氣隙與定轉(zhuǎn)子鐵心共同構(gòu)成的軸磁路部分，與永磁體磁阻量相比小得多，將鐵心應(yīng)力的影響充分考慮，磁感性能發(fā)生惡化，軸電感會顯著降低。對永磁電機(jī)鐵心應(yīng)力-磁性能的影響進(jìn)行分析，隨著電機(jī)鐵心磁感性能下降，電機(jī)的磁鏈減小，永磁電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩也會因此下降。

4 結(jié)束語

綜上所述，永磁電機(jī)的設(shè)計制造過程中，需要充分考慮鐵心材料應(yīng)力-磁效應(yīng)對整機(jī)的性能影響，尤其目前對于永磁電機(jī)性能指標(biāo)要求越來越高的情況下，更需要對鐵心材料選擇方面加強(qiáng)分析研究，使得相關(guān)參數(shù)的計算與實際需要達(dá)到更高水平的滿足程度。當(dāng)應(yīng)力作用條件發(fā)生變化，永磁電機(jī)鐵心的導(dǎo)磁性能和損耗性能都會發(fā)生改變，且壓應(yīng)力與拉應(yīng)力條件對鐵心性能表現(xiàn)存在較大差異。在實際設(shè)計中，需要根據(jù)永磁電機(jī)性能參數(shù)和規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行計算和分析，相關(guān)方法和流程基本一致，這也是類似課題研究的現(xiàn)實價值所在。