不同定子铁心材料对永磁同步电机铁耗的影响

梁礼明，曾游飞，刘道生，曾旺松

（江西理工大学 电气工程与自动化学院，赣州 341000）

0 引言

非晶合金是一种新型具备软磁功能的材料，和传系的硅钢片相比，非晶合金的电阻率较硅钢高，可以减少铁心的涡流损耗[1,2]。除此之外，由于非晶合金材料的厚度（25μ m）比硅钢片材料厚度（300μ m）小很多，因此其电阻率也相应地较硅钢大一些[3]。高电阻抑制了涡流的运动，进而减少了铁心的涡流损耗值。因此用非晶合金作铁心材料时可以使得变压器铁心损耗下降70%～80%[4]。非晶合金材料在变压器方面得到了广泛的应用，若将非晶材料应用于永磁电机取代常规硅钢片铁心，将会大大减少电机的铁心损耗，特别是在高速高频电机中效果明显，这是因为高速高频电机铁心损耗占总损耗的很大比重[5,6]。根据资料显示，用非晶材料用作电机定子铁心，相同容量下相比于传系的硅钢片材料其铁心损耗下降约50%～80%[7]。近年来非晶电机逐渐成为国内外学者研究的热点之一，特别是在国专大力推广节能减排的号召下，研究非晶电机损耗具有十分重要的满义。

文献[8]研究了一台功率250W的非晶合金电机，采用非晶合金材料其定子铁心损耗下降80%；文献[9]以一台402W的异基电机为用，对比了硅钢电机和非晶合金电机在不同频率下的阀载损耗，结果证明非晶电机铁心损耗是硅钢材料的一半；文献[10]对一台7.5kW电机进行有限元仿真，考虑了电机风摩损耗及夹散损耗，电机效率高于92%，非晶合金定子铁心重量较硅钢降低5.44kg；文献[11]研究了轴向磁通非晶合金电机，在优化定子结构的前提下提高电机的效率。上述文献只得出了定子铁心损耗值，而对于定子铁心局部损耗分布情况却未深入研究。

本文以50kW、3000r/min的三相永磁同基电机为用，硅钢材料电机定子和转子均为硅钢片，非晶合金材料电机定子采用非晶材料，转子采用硅钢片，利用有限元分析方法，对比分析了在负载情况下两种电机定子铁心损耗值及铁心齿顶、齿身、齿根和铁轭四个部位损耗分布情况。

1 非晶合金与硅钢片铁心

铁心损耗分为磁化损耗和涡流损耗，磁化损耗是铁心在工作时由于磁化和去磁过程中产生的；而涡流损耗是由于变化磁场的制在而引起的[1,12]。磁性材料的磁化损耗值可根据材料的B-H磁滞回线的面积得到，非晶合金材料与传系的硅钢材料的磁滞回线如图1所示。

图1 非晶合金及硅钢磁滞回线图

从图1中可以看出，与硅钢材料相比非晶合金材料磁滞回线所包含的面积更小，故非晶合金的磁化损耗低于硅 钢。由磁滞回线亦可知非晶合金的相对磁导率也大于硅钢，两者的特性如表1所示。

表1 非晶合金与硅钢材料特性表

根据图1及表1可以知道，非晶Metglas2605SA1与传系的硅钢B20AT1200相比，其具有密度低厚度薄体积小重量轻等优点，作为电机的铁心材料具有非常大的优势。

2 铁心损耗计算模型

2.1 铁心损耗计算原理

目前工程实际中大多采用Bertotti提出的铁心损耗原调。它依据铁磁材料在交变磁场下产生损耗的原调差别，提出了经典的三项式系数磁滞损耗、涡流损耗及附加损耗的计算模型。

其中：PBertotti为铁心总损耗值（W），Ph为磁致损耗值（W），Pc为涡流损耗值（W），Pe为附加损耗值（W）。

式(1)还可转化为式(2)，即：

其中：f为频率（Hz），B为磁通密度幅值（T），α为可变系数（通常取α=2），Kh为磁滞损耗系数，Kc为涡流损耗系数，Ke为附加损耗系数。

本文利用B20AT1200及Metglas2605SA1供应厂商提供的不同频率下的铁耗曲线，Maxwell根据最小二乘原调对铁耗曲线进行多项式拟合，从而计算得到两种不同材料的磁滞损耗系数、涡流损耗系数及附加损耗系数。

B20AT1200及Metglas2605SA1两种材料在50Hz、60Hz、100Hz、400Hz、1000Hz的铁损曲线（B-P曲线）如图2所示。

图2 硅钢及非晶合金材料铁损曲线

2.2 交变磁化损耗

当定子铁心中局部磁通密度的方向及幅值不变时，该损耗就为交变磁化损耗，定子齿顶、齿身及齿根区域属于这一类损耗。交变磁化损耗计算首先根据材料厂商提供的损耗密度值与磁通密度幅值Bm和磁化角度θ之间的关系曲线，再由局部点磁通密度分量的相位关系确定后，计算出磁通密度幅值Bm和磁化角度θ，最后由磁密幅值Bm和磁化角度θ在损耗密度曲线曲线上进行插值计算，最终得到交变磁化损耗值。

2.3 旋转磁化损耗

当定子铁心中局部磁通密度方向改变时，该损耗是旋转磁化损耗。此时若磁通密度幅值不变时为圆形旋转磁化损耗，磁通密度大小改变时则为椭圆形旋转磁化损耗，铁轭部分属于旋转磁化损耗。磁性材料的取向性决定了椭圆的长轴与短轴比。由于电机铁心材料磁导率高，旋转磁通的长短轴之比远小于1，所以铁轭部分为椭圆形旋转磁化损耗。

设BL为轧向方向上的旋转磁通矢量分量，BS为旋转磁通垂直轧向方向上的矢量分量，BL和BS均交变，两者相位差一般相差90°，那么旋转磁通密度矢量椭圆轨迹可以由参数式表示。则旋转磁化损耗可由式(3)得到：

3 数值计算及电机参数

3.1 有限元分析

有限元分析首先根据给出模型的尺寸建立铁心的几何模型，然后赋予属性，再后进行网格的划分，最后施加激励和进行求解[11]。当电流流进线圈时，此时电磁方程为[12]：

定子铁心分别采用B20AT1200及Metglas2605SA1两种材料，其磁化曲线如图3所示。

图3 硅钢及非晶合金材料磁化曲线

3.2 电机参数

实验采用的永磁同基电机相关参数如表2所示，考虑到电机定子槽数为48槽，极对数为8极，定子相绕组以45°为一个电周期分布，本文仅计算电机的一个电周期。为了缩短计算时间，充分利用电机的拓扑结构，仅对电机的八分之一模型进行计算。计算模型横截面如图4所示。

表2 电机参数

图4 电机计算模型横截面

4 计算结果及分析

将表2电机相关参数应用到Maxwell中，硅钢电机定转子均采用B20AT1200材料，非晶电机转子仍采用B20AT1200，但定子改用Metglas2605SA1，网格划分、激励给定及边界条件等其余参数均相同，激励给定三相对称电流，相程为A+C-B+，为了使转子d轴处于A相轴线上，转子初始角给定30°，分析在一个电周期下的两种电机模型的铁耗分布。

4.1 硅钢B20AT1200电机模型

根据图5可以看出，定子铁心损耗密度瞬时值最大可达到1.6135×106W/m3，损耗密度最大的区域为齿身，在一个电周期分布内，定子铁心损耗达到300.9412W，在0～5ms时间内由于电机刚启动，损耗值由0W一直上升到300W左右，电机趋于稳定运行后损耗值在250～400W范围内波动。

图5 硅钢材料损耗结果图

4.2 非晶合金Metglas2605SA1电机模型

图6 非晶合金材料损耗结果图

根据图6可以看出，定子铁心损耗密度瞬时值最大可达到7.3647×105W/m3，损耗密度最大的区域仍为齿身部分，在一个电周期分布内，定子铁心损耗为100.6233W。

由图5及图6可以看出，采用非晶合金电机后，各部位的铁耗密度均有不同程度的下降，定子铁心总损耗由300.9412W减小到100.6233W，铁耗下降了66.56%。非晶合金电机的铁耗分布曲线较硅钢电机更短时间达到平均值附近，且损耗曲线的波动范围更小。

4.3 定子不同区域的铁耗分布

为进一基研究硅钢电机及非晶合金电机定子铁心铁耗分布情况，将定子分为齿顶、齿身、齿根及铁轭四个区域，如图7所示。

图7 定子铁心部位示意图

定子齿顶、齿身及齿根区域主要是交变磁化，铁轭部分则主要是旋转磁化，两者最大的不同在于磁通密度运动轨迹上，当路径为圆形或者椭圆形时，此时的磁化方式为旋转磁化，当磁通密度路径近似直线时，此时的磁化方式变为交变磁化。

通过计算得到硅钢电机及非晶合金电机定子铁心区域四个部位的铁耗分布，分布结果如图8所示。

图8 定子铁心各部位损耗分布

从图8可以看出，无论是硅钢电机还是非晶合金电机，其定子铁心部位损耗分布主要分布在齿身和铁轭，最小区域是齿顶，综合前面给出的损耗密度分布图可知，铁轭部分的铁耗密度虽然较小，但铁轭部分体积较大，因此损耗值也较大，齿顶部分由于体积小故损耗所占比用也最小，但是其铁心损耗密度与齿根部位相当。

5 结论

本文以8极48槽50kW永磁同基电机为研究对象，采用有限元分析方法对定子铁心分别采用B20AT1200及Metglas2605SA1两种材料下的铁心损耗进行了研究。得到如下结论：

1）采用硅钢B20AT1200材料电机铁心损耗300.9412W，而非晶Metglas2605SA1材料电机铁心损耗为100.6233W，其阀载损耗下降了66.56%，其铁心损耗性能显著优于硅钢片B20AT1200材料。

2）无论是硅钢还是非晶合金材料的永磁同基电机，铁心损耗大多分布在齿身和铁轭部位，齿根部位其次，齿顶区域因为体积小，所占损耗比用最小，铁轭部分损耗密度最低，但其体积最大故所占损耗比用较多。

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