非晶合金永磁电机负载损耗及效率特性分析

朱龙飞 朱建国 佟文明 韩雪岩

摘要：为了研究采用非晶合金材料代替硅钢片材料制作铁心后，永磁电机在负载运行时的损耗与效率的变化规律，研制了两台相同结构尺寸参数的非晶合金永磁电机和硅钢片永磁电机。利用实验方法测试了两台电机在相同运行工况下的损耗与效率特性，并借助有限元方法对两台电机不同负载率时的损耗进行了对比分析。结果显示，轻载时，非晶合金永磁电机定子铁心损耗低于硅钢片电机，效率优势明显；但随着负载率的增加，非晶合金电机定子铁心饱和严重，导致绕组磁动势波形畸变，由绕组磁动势谐波引起的损耗高于硅钢片电机，非晶合金电机效率优势随负载率的增加逐渐减小。

关键词：非晶合金；永磁电机；负载损耗；效率；负载率

DOI：10.15938/j.emc.

中图分类号：TM 351文献标志码：A文章编号：1007-449X（2017）00-0000-00

Analysis of the characteristics of power losses and efficiency of a amorphous alloy permanent magnet motor

ZHULong-fei1， ZHU Jian-guo2，TONG Wen-ming1，HAN Xue-yan1

（1.School of Electrical and Engineering， National Engineering Research Center for Rare-earth Permanent Magnetic Machines， Shenyang University of Technology， Shenyang 110870， China；

2.School of Electrical Mechanical and Mechatronic System， University of Technology Sydney， NSW 2007， Australia）

Abstract：In order to study the characteristics of power losses and efficiency of the permanent magnet motor when the silicon steel core is replaced by the amorphous alloy core， two permanent magnet motors are produced which have the same specifications. One core of the motors is made of silicon steel sheet and the other core of the motors is made of amorphous alloy material. The characteristics of power losses and efficiency of the two motors are measured at the same operating situation. Power losses are also analyzed at various load ratios by using finite element analysis. The results show that， the core loss of amorphous alloy motor is lower than that of the silicon steel motor when the load is light， and the efficiency of amorphous alloy motor is more superior than silicon steel motor. But with the increase of load ratio， the core of amorphous alloy motor is badly saturated， the waveform of MMF distorts a lot， and the losses caused by MMF harmonics are higher in amorphous alloy motor than that in the silicon steel motor， which leads to a reduction of superiority of efficiency with the increase of load ratio.

Keywords： amorphous alloy； permanent magnet motor； power losses；efficiency；load ratio

0 引言

非晶合金材料具有單片薄（单片厚度仅为0.03mm）、电阻率大（约为传统35W270冷轧硅钢片的3倍）等优点，其涡流损耗远远低于传统硅钢片材料，利用非晶合金材料代替硅钢片材料制造电机铁心可有效降低电机的铁心损耗[1-4]。近些年，国内外学者制造了多种结构形式的非晶合金电机[5-10]，并对电机的性能进行了分析。但大多数文献只着眼于非晶合金替代硅钢片后电机空载铁心损耗的降低幅度，对替代后电机在负载运行时其它损耗变化的分析较少。文献[11]对比分析了两台相同结构尺寸参数的非晶合金永磁电机和硅钢片永磁电机冷态空载运行时的损耗。文章指出，空载运行时非晶合金电机定子铁心损耗低于硅钢片电机，但非晶合金电机中由PWM逆变器供电时载波谐波电流引起的损耗高于硅钢片电机。

基于上述问题，本文在文献[11]的基础上，利用实验方法测试非晶合金永磁电机和硅钢片永磁电机在相同运行工况下的损耗及效率，并对实验结果进行对比。在此基础上，借助有限元方法对两台电机各部分损耗随负载率的变化规律进行了深入研究。

1 非晶合金和硅钢片铁心性能对比

本文中非晶合金电机铁心和硅钢片电机铁心分别由Metglas 2605SA1和35W270材料制造而成，非晶合金铁心叠压系数为0.9，硅钢片铁心叠压系数为0.97。利用文献[11]中的实验方法测试了非晶合金铁心200Hz时的磁化性能和损耗性能，并将其与硅钢片材料进行对比，结果如图1～图3所示。

从图1磁化曲线的对比中可以看出，非晶合金铁心拐点位置和饱和磁密均低于硅钢片。从图2相对磁导率对比中可以看出，磁密较低时非晶合金铁心磁导率高于硅钢片，但在电机常用的铁心磁密范围内，非晶合金铁心的磁导率均低于硅钢片。以1.0T为例，硅钢片的磁导率为非晶合金铁心的1.5倍。从图3损耗密度曲线对比中可以看出，非晶合金铁心损耗密度优势十分明显。同样以1.0T为例，非晶合金铁心损耗密度仅为硅钢片的48.9%。

2 非晶合金和硅钢片电机效率對比

利用上述两种铁心分别制作了两台结构尺寸参数均相同的非晶合金和硅钢片永磁电机，如图4所示，电机具体参数见表1。

为了直观分析出采用非晶合金材料制造铁心后，电机的损耗与效率的变化情况，本文利用实验方法分别测试了PWM逆变器供电情况下两台电机在转速为3000r/min时的热态工作特性，实验线路如图5所示。对实验结果进行分析，并对比了两台电机不同负载率时的损耗与效率，如图6和图7所示。

从图6和图7中可以看出，不同负载率情况下，非晶合金电机损耗均低于硅钢片电机，非晶合金电机的效率均高于硅钢片电机。从图6和图7中曲线的变化趋势可以看出，轻载时非晶合金电机效率提升十分明显，但随着负载率的增加，非晶合金电机

损耗增加速度快于硅钢片电机，其效率优势逐渐减小。为了分析产生这一现象的原因，本文利用Yamazaki教授提出的电机损耗分离方法对不同负载率时两台电机的各部分损耗进行对比分析[12-13]。

3 非晶合金和硅钢片电机损耗对比

3.1 电机损耗分离方法

在电机初始设计阶段，很难得出PWM逆变器供电时的电流波形，可使用波形生成软件生成合适的电流波形代替分析[12]。由于本文已经制造样机并对其进行了实验测试，直接采用实验实测电流波形进行分析，如图8所示为额定负载时非晶合金电机的线电流波形及其谐波分析。

图8 电流波形及谐波分量

Fig.8 Measured current waveform and its harmonics

将图8的电流波形作为激励源代入到有限元中对电机模型进行分析，记录定子铁心齿部、轭部以及永磁体表面和内部典型位置的径向和切向磁密变化波形，如图9所示。由于此次研究的电机属于表贴式转子结构，转子铁心内损耗含量很小，将其忽略。将得出的定子铁心和永磁体中的磁密变化波形进行傅里叶分解即可得到该位置磁密波形中的各次谐波成分。

对于定子铁心损耗的计算，可将傅里叶分解得出的各次谐波磁密代入式（1）中。需要说明的是，式（1）中的 、 和 是根据非晶合金铁心损耗

图9 典型位置磁密分析

Fig.9 Analysis of flux density at typical positions

密度测试数据以及35W270硅钢片损耗密度数据经非线性拟合得出的，具体数值见表2。

（1）

式中： 和 为磁滞损耗系数； 为涡流损耗系数； 为定子铁心材料密度； 为定子铁心磁密谐波次数；f为基波频率； 、 分别为 次谐波径向和切向磁密分量； 为定子铁心体积。

表2两种材料损耗系数

Table 2Loss coefficients of these two materials

铁心材料 kh α ke

非晶合金 0.0057 1.83 5.74×10-5

硅钢片 0.0233 2.01 5.91×10-5

对于永磁体涡流损耗的计算，根据麦克斯韦方程组：

（2）

（3）

求解得永磁体内涡流为

（4）

根据坡印廷矢量，永磁体内涡流损耗为

（5）

式中： 为永磁体电导率； 为永磁体体积。

3.2 损耗计算结果验证与分析

本文分别计算了非晶合金电机和硅钢片电机在多个负载率时的各部分损耗，并将计算结果进行了对比分析。图10所示为负载率为0.2时非晶合金电机与硅钢片电机各部分损耗及其与各自实验值的对比。图中pm_λ、pm_w、pm_a、ps_a、ps_r、ps_b、pexp分别为由磁导谐波引起的永磁体损耗、由绕组磁动势谐波引起的永磁体损耗、由载波谐波电流引起的永磁体损耗、由载波谐波电流引起的定子铁心损耗、由电枢反应磁动势谐波引起的定子铁心损耗、由基波引起的定子铁心损耗以及电机损耗实验值。需要说明的是，图10中的损耗实验值中已经减掉铜耗和机械损耗。对于铜耗的分离，采用文献[14]中的方法；对于机械损耗的分离，采用假转子方法。

从图10中可以看出，两台电机损耗计算值与实验值相符性良好，说明该方法具有很高的计算精度。对比非晶合金电机及硅钢片电机的各部分损耗可知，由于非晶合金材料优异的损耗特性，使非晶合金电机定子铁心内的损耗低于硅钢片电机，其值仅为硅钢片电机的34.4%，这就是轻载时非晶合金电机效率优势明显的原因。但是非晶合金电机由载波谐波引起的损耗却高于硅钢片电机，特别是永磁体中的涡流损耗。分析原因是由于非晶合金材料在电机常用磁密段的磁导率低于硅钢片材料，如图2所示。非晶合金电机电感低于硅钢片电机，在采用PWM逆变器供电时，绕组对高次载波谐波电流的阻碍作用弱于硅钢片电机，电流波形中谐波含量高于硅钢片电机。这也在一定程度上制约了非晶合金电机的效率优势。弄清非晶合金电机轻载时效率提升明显的原因后，本文进一步分析随着负载率的增加，两种电机各部分损耗的变化规律。图11和图12所示为多个负载率时非晶合金电机和硅钢片电机的损耗变化情况。

從图11和图12可以看出，随负载率的增加，非晶合金和硅钢片电机中pm_λ、pm_a、ps_a、ps_b变化较小，变化较为明显的损耗为由绕组磁动势谐波引起的永磁体损耗pm_w和由电枢反应磁动势谐波引起的定子铁心损耗ps_r。对比图11和图12可知非晶合金电机上述两种损耗随负载率增加而增加的幅度大于硅钢片电机，特别是pm_w。从0.2倍负载到1.2倍负载时，非晶合金电机的pm_w增加了14.5W，而硅钢片电机只增加的7.5W；非晶合金电机总损耗增加了18.86W，硅钢片电机总损耗增加了9.06W。

图13和图14对比了非晶合金电机和硅钢片电机在0.2倍负载和1.2倍负载时磁密的分布情况。

从图13和图14中可以看出，由于非晶合金铁心叠压系数低于硅钢片铁心，轻载时非晶合金电机的定子铁心磁密就已经高于硅钢片电机。且由于非晶合金铁心饱和磁密低于硅钢片材料（图1），随着负载率的增加，非晶合金电机定子铁心饱和程度远远高于硅钢片电机，非晶合金电机绕组磁动势波形畸变严重，由此引起的pm_w和ps_r随负载率增加而增加的幅度大于硅钢片电机，从而导致了非晶合金电机效率优势随负载的增加越来越小。

4 结论

本文利用实验方法测试了非晶合金铁心的磁性能，并将实验结果与硅钢片材料进行了对比。测试了两台结构尺寸相同的非晶合金永磁电机和硅钢片永磁电机的负载损耗和效率性能。借助有限元方法分析了两种电机各部分损耗随负载率的变化关系。现得出以下结论：

1） 非晶合金铁心的饱和磁密以及电机铁心常用范围内的磁导率均低于硅钢片材料，但非晶合金铁心的损耗密度优势十分明显。

2） 由于非晶合金铁心优异的损耗特性，轻载时非晶合金电机铁心损耗低于硅钢片电机，效率优势明显。

3） 随着负载率的增加，非晶合金电机定子铁心饱和严重，绕组磁动势和电枢反应谐波引起的损耗高于硅钢片电机，从而导致非晶合金电机效率优势随负载率的增加而逐渐减小。

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