铁心应力对永磁电机性能的影响*

郑 永 ，孙瑞杰

（包头长安永磁电机有限公司，内蒙古 包头 014030）

经济的快速发展推动了永磁电机产业专业化趋势的进一步形成，对电机相关性能、技术标准和产品运行稳定性等方面都提出了更高的要求，永磁电机要想在更广阔的应用领域获得发展，必须从各个环节强化相关性能，使得电机的整体质量和性能指标都达到更高水准。随着永磁电机应用范围的进一步扩大，电机制造材料需要达到的应力强度和电磁性能，充分提升永磁电机制造时的总体性能。因此，相关课题的研究，对于永磁电机的应用领域拓展有着极其重要的影响[1]。

1 永磁电机铁心材料性能分析

对于永磁电机来说，铁心是电机内非常重要的组成部分，对于铁心材料的选择，需要充分考虑导磁性能能否满足永磁电机工作需要。通常情况下，永磁电机都选择电工钢作为铁心材料，其主要原因就是电工钢在导磁性能方面的表现较好。电机铁心材料的选择对于永磁电机的整体性能以及电机成本控制都有非常重要的影响，当永磁电机进行制造、装配和正式运转的过程中会在铁心上形成一定的应力。而应力的存在会直接影响到电工钢片的磁导性能，造成导磁能力不同程度的下降，永磁电机的性能因此会有所下降，并且会增加电机损耗。

对于高品质的永磁电机产品来说，其性能指标非常严格苛刻。在永磁电机的设计制造中，对材料的选择和利用要求越来越高，甚至接近材料性能的极限标准和水平，作为永磁电机铁心材料的电工钢，在相关

应用技术以及铁耗精确计算等方面必须达到非常高的精确度要求，才能满足实际需要。原来所运用的传统电机设计的方法计算电工钢的电磁特性显然是不准确的，因为这些常规方法主要针对常规条件，计算结果会有较大偏差[2]。因此，需要一种新的计算方法针对应力场条件下的电工钢导磁性能和铁损情况进行精确计算，使得铁心材料的应用水平更高，永磁电机的效率等性能指标达到更高水平。

2 永磁电机铁心材料性能的实验研究

电工钢作为永磁电机铁心材料的主要选择，铁心材料的应力-磁感性能和应力-铁损性能是永磁电机设计和制造中重点关注的内容，通过具体实验探究相关性能，是进行铁心材料性能鉴定和选择的基础。利用实验方式充分研究相关课题，也是保证相关选择、满足设计和应用的必要条件。

2.1 电工钢作为永磁电机铁心材料的应力-磁性能实验分析

通过实验的方式研究电工钢的应力-磁性能是永磁电机铁心设计必须进行的一个程序，在本文的研究中，电工钢材料的厚度为0.35 mm，电工钢测试应力设定范围为-160 MPa～160 MPa，负值为压缩状态，正值为拉伸状态。实验目的就是在该应力条件下电工钢发生损耗以及对应的磁感特性。考虑到电工钢作为永磁电机的铁心材料，因此实验中需要模拟工况下永磁电机铁心材料的应力-磁性能，所以将材料结构以及周围磁场分布采取周向对称设置，并在测试时取横向和轧向片组样，所得结果为电工钢应力-磁性能量化均值[3]。

2.1.1 电工钢应力-磁感性能分析

通过相关实验及其结果的分析，导致铁心材料导磁性能发生退化的最主要表现是铁心磁弹性能以及铁心应力退磁，因此，相关研究必然将此作为主要的研究方向。具体来说，其分析可从两个方面进行。

首先，按照相关铁磁学理论，无取向电工钢的铁磁性能表现为各向同性。如果构成电工钢的磁性多晶材料被外加一定强度的单轴应力，当磁化强度与应拉力在方向上趋于一致，则会使得磁化效果加强，在此条件下，外加压力使得材料的磁弹性能处于较低水平。当磁化强度逐渐向垂直压力方向转动，使得电工钢的磁化作用受到影响，材料导磁性能会显著降低。

其次，对于电工钢材料的应力退磁现象，所承受的应力将导致材料内部晶粒排列有所改变，包括晶粒的排列方向以及位置都与原来有很大差异。这种改变会导致晶面方向形成新的磁极，进而创造了一个相悖于外加磁场方向的退磁磁场，两相抵消，电工钢磁化难度加大，材料的磁导率也因此降低，外应力作用下发生退磁问题。且外加压应力越大，退磁场也会快速增加，而拉应力对于退磁效应的影响并不显著[4]。

2.1.2 电工钢应力-铁损性能分析

对电工钢的应力-铁损性能进行研究，需要重点考虑两个指标：矫顽力及剩磁，这两个指标可以表征软磁材料的性能，通过明确这两个指标，可以获知电工钢的磁畴结构以及材料特性。同时，矫顽力的大小和电工钢材料发生反磁化现象高度相关，可以直接决定电工钢的损耗特性。这些情况可进一步说明矫顽力及剩磁研究的必要性，也是相关研究中一个非常重要的内容[5]。

实验发现，压应力作用下，材料中以畴壁位移机制为主要模式，随着压应力逐渐增大，矫顽力与磁滞回线的影响范围进一步增大，此时，电工钢材料的铁损值会持续增加。在拉应力作用下，材料中的反磁化机制也会以畴壁位移机制为主要模式，在此情况下，畴壁钉扎会持续降低，矫顽力和铁损值也会显著降低。对于普通电工钢材料，拉应力超过20 MPa时，材料中出现的反磁化起主导作用的是磁畴转动机制，此时，电工钢材料在各向异性方面的差异逐渐增大，使得矫顽力和铁损值也会进一步增大[6]。

当应力作用发生改变，电工钢材料的磁感和损耗随之改变，通过实验可以发现，对于电工钢材料而言，在-40 MPa～40 MPa的应力范围内，这是电工钢材料磁性能最为敏感的区域，且处于0～20 MPa拉应力范围内时，电工钢磁性能还会有一定优化效果。

2.2 永磁电机电工钢铁心应力分析

分析永磁电机工况下的铁心所受应力影响，应力来源有很多种，且各种应力来源呈现出很多完全不同的性质。从永磁电机定子铁心应力形式来看，其形成的来源包括冲剪、铆焊、叠压、机壳过盈装配等，而影响面积最大最显著的是机壳过盈装配导致的应力作用。对于永磁电机转子而言，其承受的应力来源主要包括热应力、离心力、电磁力等，相比普通电机，永磁电机正常情况下的转速比较高，同时在转子铁心部位还要设置隔磁结构。因此，离心应力是最主要的应力来源[7]。

永磁电机外形特征大体呈现圆柱状，在对电机铁心进行受力分析时选择圆柱坐标系会更加方便一些。永磁电机机壳过盈装配导致产生的定子铁心应力主要以压应力方式存在，其作用点集中在电机定子铁心的轭部，应力方向表现为圆周切向。而永磁电机转子离心力形成应力性质是拉应力，该应力几乎完全作用在转子的铁心上，其最大离心应力作用在永磁电机转子隔磁桥与加强筋交汇的地方，使得该部位容易因此发生性能下降的情况。

3 铁心应力对永磁电机总体性能影响分析

铁心应力是永磁电机工况下不可避免的情况，因为铁心应力的存在，会对铁心材料的导磁性能有很大影响，进而造成永磁电机的转矩、磁场分布以及电感量等重要指标下降。通过研究分析永磁电机铁心应力对磁场性能指标的影响，掌握其规律，可以为永磁电机设计精度的提升奠定技术基础[8]。

3.1 铁心应力对永磁电机磁场的影响

受应力场作用的直接影响，永磁电机定转子铁心内部的磁导率分布产生一定变化，转子铁心以及定子齿部因所处位置发生变化相对较小，而电机定子的轭部磁导率变化就比较显著。对永磁电机关键部位磁密变化进行分析，在饱和作用影响下电机转子加强筋及隔磁桥等处的磁密度并没有太大变化。电机定子以及主磁路等位置磁密度有非常显著的变化。这也可以进一步说明永磁电机运转过程中铁心应力对于电机磁密度分布以及导磁性能的作用。

对永磁电机应力场中铁心磁导率进行求解，具体方法为通过材料应力条件作用效果与电机磁感曲线进行拟合，所得的就是比较准确的结果。实际求解时还要计算机仿真电机的定转子铁心应力，利用专业软件进一步求解电机磁场以及铁心磁导率，其数值的精确度通过对相关参数选择而得到更加有效的保证[9]。

3.2 应力对铁心损耗的影响

对应力条件下永磁电机铁耗的计算，一般情况下均采用Bertotti铁耗分离模型，并将其与材料损耗测试曲线进行拟合，得到相应的结果。对于应力与损耗的作用机理主要是来自应力退磁效应和畴壁位移机制的影响，这些作用不会对电工钢电导率以及原有的各种涡流损耗等产生影响，在实际计算中不必调整这些内容。对于确定转速工况的情况，分析永磁电机发生铁损的具体分布，因为受到应力作用，永磁电机定子的轭部压应力会比较集中，该部位损耗较大，性能明显恶化，永磁电机定子轭部存在较大的铁耗问题，尤其是定子齿轭交接部位铁耗受应力影响增加幅度最大。

在实际研究中，可以利用仿真方法通过建立永磁电机的数学模型进行相关计算，通过计算发现永磁电机铁耗因为拉应力影响增加了40%～50%，这一增加幅度还是比较惊人的，因此也造成了永磁电机总损耗的显著增加。通过分析还可以发现，电机铁耗是压应力影响导致定子铁心形成的主要损耗形式，对于电机转子来说，运转状态下铁心处于离心拉应力状态下，不但不会增加铁心损耗，反而还会有一定的改善效果。

3.3 应力对电感量与转矩的影响

因为应力的作用使得永磁电机铁心磁导性能严重下降，这同时还造成了永磁电机的严重损耗问题，电机磁阻与电感参数变化，进而主磁通量与漏磁通量都发生变化。通过分析和计算永磁电机应力场，可以对电机轴电流-电感特性进行更加细致的仿真研究。电机铁心磁感性能在铁心应力条件下发生恶化，其轴电感会一定程度降低，具体分析永磁电机磁路，轴磁路主要包括三个部分：气隙、永磁体和定转子铁心，其中，永磁体是最主要的部分[10]。

基于这一原因，当永磁电机铁心磁感性能发生改变时，并不能造成轴电感发生很大的变化。永磁电机气隙与定转子铁心共同构成的轴磁路部分，与永磁体磁阻量相比小得多，将铁心应力的影响充分考虑，磁感性能发生恶化，轴电感会显著降低。对永磁电机铁心应力-磁性能的影响进行分析，随着电机铁心磁感性能下降，电机的磁链减小，永磁电机电磁转矩也会因此下降。

4 结束语

综上所述，永磁电机的设计制造过程中，需要充分考虑铁心材料应力-磁效应对整机的性能影响，尤其目前对于永磁电机性能指标要求越来越高的情况下，更需要对铁心材料选择方面加强分析研究，使得相关参数的计算与实际需要达到更高水平的满足程度。当应力作用条件发生变化，永磁电机铁心的导磁性能和损耗性能都会发生改变，且压应力与拉应力条件对铁心性能表现存在较大差异。在实际设计中，需要根据永磁电机性能参数和规格标准来进行计算和分析，相关方法和流程基本一致，这也是类似课题研究的现实价值所在。