非晶合金定子電機(jī)性能分析與設(shè)計(jì)

1、非晶合金定子電機(jī)性能分析與設(shè)計(jì)摘要：近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技水平的不斷提升，機(jī)械電機(jī)性 能有了很大的提升。永磁同步電機(jī)是目前主流的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其主軸、導(dǎo) 線、殼體、硅鋼片、永磁體等均為高價(jià)值部件。電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)再制造 將是亟待解決的問(wèn)題。電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)具有高轉(zhuǎn)速、高效率、高功率密 度、高可靠性的特點(diǎn)，導(dǎo)致再制造能效提升難。關(guān)鍵詞：非晶合金；定子；電機(jī)；硅鋼片；概念車(chē)；節(jié)能引言電動(dòng)汽車(chē)的研制成為汽車(chē)發(fā)展的必然趨勢(shì)，電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)之一是電機(jī) 技術(shù)。將非晶合金材料應(yīng)用在電機(jī)定子鐵芯上，對(duì)其損耗和磁通密度脈動(dòng)進(jìn)行研 究和分析，得知非晶合金定子電機(jī)損耗小于硅鋼片電機(jī)

2、，磁通密度脈動(dòng)穩(wěn)定性好 于硅鋼片。通過(guò)裝在概念車(chē)測(cè)試，非晶合金電機(jī)概念車(chē)的續(xù)航里程比硅鋼片電機(jī) 的長(zhǎng)，駕駛員感覺(jué)非晶合金電機(jī)的平穩(wěn)性好些。1概述近年來(lái)，隨著能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，各國(guó)都積極尋找高效節(jié)能的 電力設(shè)備，以使電能的使用效率達(dá)到最大。非晶合金電機(jī)具有損耗低、效率高、 可以在高頻高速下良好運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，是電機(jī)技術(shù)的一種新選擇。非晶合金在電力 變壓器領(lǐng)域的應(yīng)用非常成功，使電力變壓器空載損耗降低了 70%以上。采用非晶 合金制作電機(jī)鐵心，可使鐵心損耗和溫升大幅降低。當(dāng)電機(jī)工作于幾百至幾千赫 茲時(shí)，鐵基非晶合金是更為理想的電機(jī)鐵心材料，其性能明顯優(yōu)于硅鋼片。全球 范圍內(nèi)電機(jī)的用電量占整個(gè)

3、工業(yè)用電量的70%左右，非晶合金如果被成功應(yīng)用于 電機(jī)領(lǐng)域，那么將會(huì)帶來(lái)更加顯著的節(jié)能效果和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。2非晶合金性能分析2.1損耗分析對(duì)硅鋼片定子鐵芯和非晶合金的損耗隨頻率變化可得，兩種材料定子鐵芯的 損耗都是隨著頻率的增大而增加，但兩種材料曲線的上揚(yáng)趨勢(shì)是不一樣的。兩種 材料頻率在0100Hz區(qū)間內(nèi)定子鐵芯的損耗差別不大，不同的材料不同的磁通 密度為1.0T下稍有些不同，硅鋼片定子鐵芯損耗略大于非晶合金材料。硅鋼片定 子鐵芯在1001000Hz這個(gè)區(qū)間，不同的磁通密度如0.6T、0.8T和1.0T損耗是不 一樣的，隨著磁通密度的增加損耗也在增大。對(duì)于同一磁通密度的定子鐵芯隨著 頻率的增

4、大損耗是急劇增大的。非晶合金定子鐵芯也是如此。對(duì)于這兩種材料在 同一磁通密度情況下，隨著頻率的增加，硅鋼片定子鐵芯損耗越來(lái)越比非晶合金 的大。非晶合金定子鐵芯損耗降低的程度高達(dá)59%。由此可見(jiàn)，若將非晶定子鐵 芯應(yīng)用在高速電機(jī)上，可降低鐵芯損耗，減少能量損失。2.2磁通密度脈動(dòng)分析永磁電機(jī)磁通密度分布處于完整的正弦曲線狀態(tài)下，會(huì)使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，不 會(huì)造成電機(jī)的振動(dòng)和負(fù)載設(shè)備損傷。但如果磁通密度并非是完整的正弦曲線分布， 將會(huì)導(dǎo)致脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大、起動(dòng)電流增大，使車(chē)身振動(dòng)造成電機(jī)總成損壞。利用軟 件對(duì)對(duì)非晶合金電機(jī)和硅鋼片電機(jī)進(jìn)行有限元分析，當(dāng)頻率f=50Hz時(shí)，非晶合金 電機(jī)磁通密度幅值為1.13

5、T，硅鋼片電機(jī)的磁通密度幅值為1.08T，非晶合金比硅 鋼片電機(jī)的磁通密度幅值高0.05T。兩種電機(jī)磁通密度的幅值經(jīng)過(guò)計(jì)算，非晶合 金電機(jī)的磁通密度基值為1.07T，硅鋼片電機(jī)的磁通密度基值為1.02T，非晶合金 電機(jī)的磁通密度基值大于硅鋼片電機(jī)的磁通密度基值，證明非晶合金電機(jī)扭矩比 硅鋼片電機(jī)的大。另外，非晶合金電機(jī)的磁通密度波形畸變率為28%，硅鋼片的 畸變率為30%，經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，非晶合金電機(jī)的磁通密度波形更加接近完整的正 弦曲線分布，滿足電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)的要求。3非晶合金電機(jī)應(yīng)用難題與關(guān)鍵技術(shù)3.1非晶合金電機(jī)鐵心材料的選擇目前，軟磁材料有以下4類(lèi)，分別是鐵基非晶合金、鐵鎳基非晶合金、鉆基

6、 非晶合金和鐵基納米晶合金。其中鐵基非晶合金飽和磁感明顯高于其他3類(lèi)非晶 材料，但略低于硅鋼，其有效磁導(dǎo)率明顯高于硅鋼，適用于5010 x103Hz的頻率 范圍，價(jià)格較為便宜。鐵鎳基非晶合金磁導(dǎo)率很高，但是飽和磁感不高，高頻下 損耗降低效果不理想，加工和熱處理工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴。鉆基非晶合金的磁導(dǎo) 率很高，磁致伸縮系數(shù)近乎為0，軟磁性能非常優(yōu)異，機(jī)械強(qiáng)度也較好，但是飽 和磁感較低，且由于含有鉆元素，成本和價(jià)格較高。納米晶合金具有高的飽和磁 感和磁導(dǎo)率，損耗很低，綜合磁性能非常優(yōu)異，且成本低廉，但是其在熱處理后 非常脆，將其制造成電機(jī)的多槽鐵心難度很大。理想的電機(jī)鐵心材料應(yīng)該具有高 的飽和磁感和

7、磁導(dǎo)率以及低的損耗。目前在非晶合金電機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)中采用的 是 Metglas2605SA1（標(biāo)準(zhǔn)成分為 Fe80B11Si9）、Metglas2605SC（標(biāo)準(zhǔn)成分為 Fe81B13.5Si3.5C2）以及 Metglas2605Co（標(biāo)準(zhǔn)成分為 Fe67Co18B14Si1），這些材料均 為鐵基非晶合金。納米晶合金FinemetFT-3M （標(biāo)準(zhǔn)成分為Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9） 也被應(yīng)用于電機(jī)的生產(chǎn)中。3.2非晶合金電機(jī)的控制非晶合金電機(jī)的工作頻率一般設(shè)計(jì)在5002000Hz，由于高頻高速的原因，電 機(jī)變頻器的諧波問(wèn)題尤為嚴(yán)重，高頻諧波導(dǎo)致電機(jī)溫升增大，損耗增加，降低了 電機(jī)

8、的效率，縮短了其使用壽命。需要設(shè)計(jì)高速電機(jī)專用的變頻器和濾波器，以 減小供電系統(tǒng)的諧波。電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，復(fù)雜的控制算法由于計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，難 以保證閉環(huán)控制的快速性和準(zhǔn)確性，因此需要研究針對(duì)高速電機(jī)的切實(shí)有效的控 制策略，更好地實(shí)現(xiàn)非晶合金電機(jī)的閉環(huán)控制。4兩種材料電機(jī)在概念車(chē)上應(yīng)用及試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明將非晶合金定子電機(jī)以及硅鋼片電機(jī)先后安裝到概念車(chē)上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試道 路為平坦的瀝青路面，風(fēng)速小于2m/s。在其條件下測(cè)試各十次，平均速度均為 25km/h。采用非晶合金定子電機(jī)概念車(chē)?yán)m(xù)航里程比硅鋼片電機(jī)的長(zhǎng)，這就是非晶 合金定子損耗比硅鋼片定子損耗高所致。另外，駕駛員感覺(jué)采用非晶合金電機(jī)運(yùn) 行的平穩(wěn)性好

9、些。5總結(jié)與展望面對(duì)日益嚴(yán)重的能源危機(jī)，研究發(fā)展高效節(jié)能的非晶合金電機(jī)將是一種趨勢(shì)。 非晶合金電機(jī)在發(fā)電機(jī)、航空儀器、軍事設(shè)備、交通工具等眾多領(lǐng)域都有著廣闊 的潛在市常對(duì)于非晶合金電機(jī)的研究，除了要注意到其優(yōu)異的磁性能、高效率、 低損耗的優(yōu)點(diǎn)外，也必須充分考慮其難于切割和加工的特點(diǎn)，因此，需要從以下 幾個(gè)方面開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作：探索非晶合金在小型高速電機(jī)中的設(shè)計(jì)及應(yīng) 用。優(yōu)先考慮將非晶合金應(yīng)用于永磁同步電機(jī)和異步電機(jī)，對(duì)電機(jī)電磁部分重 新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究將非晶合金應(yīng)用于電機(jī)轉(zhuǎn)子以降低轉(zhuǎn)子鐵心損耗。 探索非晶材料的切割和加工工藝。探討非晶合金磁性能與機(jī)械特性的最佳匹配， 得到具有良好磁性能和機(jī)械性能的優(yōu)質(zhì)電機(jī)材料。注重降低非晶合金的成本。 非晶合金尤其適用于高速電機(jī)，工作頻率較高，因此需要研究高速電機(jī)的控制 電路以使電機(jī)性能達(dá)到最佳。結(jié)語(yǔ)本項(xiàng)目?jī)H從上述幾個(gè)方面進(jìn)行了分析與研究，有必要繼續(xù)在其他方面進(jìn)行擴(kuò) 展研究與分析。同時(shí)，概念車(chē)測(cè)試是整體測(cè)試，其他因素也影響著概念車(chē)的續(xù)航 里程，因此，在測(cè)試方面仍需要完善和加強(qiáng)，為深入分析和研究非晶合金材料在 電機(jī)上的