非晶合金-硅钢混合铁心三相鼠笼式异步电机的能效分析

摘 要：

首先测试了非晶合金与硅钢铁心的磁化和损耗性能，将测取参数应用于YKK3552-4型笼型200 kW三相异步电动机的二维电磁有限元仿真，分析了电机在两种不同铁心材料组合下的能效特性：一是定子采用非晶合金铁心，转子采用硅钢铁心；二是定子和转子均采用硅钢铁心。结果表明异步电动机满载时组合铁心电机铁耗最小，但磁饱和问题突出，额定电压下组合铁心电机的空载电流可达额定电流的1.1倍，绕组铜耗最大。随后对运行电压降低时的混合铁心电机损耗情况进行仿真，当降压4%时电机能效特性达到最优。最后在3 kW样机上进行了能效测试，验证了降压运行的效果。为易饱和非晶材料在交流电机中应用奠定了理论基础，通过降低运行电压实现非晶定子铁心电机低耗、高效是一条可行技术路径。

关键词：非晶合金；三相鼠笼式异步电机；能效特性；磁饱和；降压

DOI：10.15938/j.emc.2024.09.002

中图分类号：TM343

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2024）09-0011-11

收稿日期： 2024-03-15

基金项目：国家自然科学基金（52277048，52207053）；河北省自然科学基金（E2020502064）

作者简介：武玉才（1982—），男，博士，教授，研究方向为大型电气设备状态监测与故障诊断;

武胜取（2000—），男，硕士研究生，研究方向为新型铁磁材料的三相异步电动机设计与研究；

纪 璇（1982—），女，硕士，助理工程师，研究方向为大型电机在线监测与故障诊断；

刘建民（1970—），男，工程师，研究方向为非晶、纳米晶材料的生产研发。

通信作者：纪 璇

Energy efficiency analysis of three-phase squirrel-cage asynchronous motor with amorphous alloy-silicon steel hybrid core

WU Yucai1， WU Shengqu1， JI Xuan1， LIU Jianmin2

（1.Hebei Key Laboratory of Green and Efficient New Electrical Materials and Equipment， North China Electric Power University， Baoding 071003， China; 2. Renqiu Yuda Electrical Technology Co.， Ltd.， Cangzhou 062550， China）

Abstract：

The magnetization and loss performance of amorphous alloy and silicon steel cores were tested， the measured parameters were applied to the two-dimensional electromagnetic finite element simulation of the YKK3552-4 type squirrel cage 200 kW three-phase asynchronous motor. The energy efficiency characteristics of the motor under two different combinations of core materials were analyzed： one is the stator using amorphous alloy core and the rotor using silicon steel core; the other is both the stator and rotor using silicon steel core. The results show that the iron loss of the combined iron core motor is the smallest when the asynchronous motor is fully loaded， but the magnetic saturation problem is prominent. Under the rated voltage， the no-load current of the combined iron core motor can reach 1.1 times the rated current， and the winding copper loss is the largest. Subsequently， the loss of the hybrid iron core motor with reduced operating voltage was simulated， and when the voltage was reduced by 4%， the motor’s energy efficiency characteristics reached the optimal level. Finally， an energy efficiency test was conducted on a 3 kW prototype to verify the effect of voltage reduction operation. This study lays a theoretical foundation for the application of easily saturated amorphous materials in AC motors. It is a feasible technical path to achieve low consumption and high efficiency of amorphous stator iron core motors by reducing the operating voltage.

Keywords：amorphous alloy; three-phase squire-cage asynchronous motor; energy efficiency characteristics; magnetic saturation; reduction voltage

0 引 言

笼型异步电机因其结构简单、制造方便、运行可靠等优点而被广泛应用于电力驱动，其耗电量占年发电量的50%以上［1-3］。因此，提高感应电机效率对实现节能减排具有极大贡献。非晶材料作为一种新型铁磁材料，具有高磁导率、窄磁滞回线及低损耗的特点，是影响电机能效的一个重要因素［4-6］，研究该材料在电机领域的应用具有重要意义。

近些年非晶材料在电机领域逐渐得到重视。文献［7］利用非晶合金作为主材料，对一台60 kW电动飞机进行设计，实现电机减重7.95%，并显著降低了铁心损耗。文献［8］通过对两台18 kW、定子铁心分别采用硅钢和非晶合金的永磁同步电机进行有限元分析，并结合实验证明了在高速区非晶电机相比于硅钢电机具有铁耗小以及效率高的优势。文献［9］通过对Y160M-4型11 kW三相异步电机的有限元仿真证明使用非晶合金Metglas2605SA1的定子铁心相比硅钢D23_50定子铁心其总损耗降低16.8%，效率提高1.8%，功率因数提高0.015。文献［10］将11 kW，36 000 r/min的四极永磁电机采用非晶定子铁心，在高频时发现非晶合金铁心磁密工作点可以高于硅钢定子铁心，使其额定功率相比传统电机高，证明了非晶合金可以提高电机的功率密度，同时电机效率也提高了2.2%。文献［11］采用非晶合金作为1.1 kW高速异步电机定子铁心材料，并对定子槽型进行优化，实验结果表明，相比普通硅钢电机，效率提高7.12%，为非晶合金在高速异步电机中的应用提供了数据支持。已有研究文献表明，目前非晶合金在电机领域的应用大多集中于永磁电机以及小型高速异步电机方向，且定子铁心普遍采用叠压式非晶铁心，虽能减少损耗，但由于非晶合金具有薄而脆的特点［12］（叠片厚度一般为0.03 mm），制造叠压式铁心工艺复杂、成本高，且铁心的叠压系数低（一般低于0.95），加之非晶合金的工作磁密较低，使得电机整体的功率密度较低。相对于叠压式铁心，块状非晶合金作为电机定子具有更简单的制造工艺和更低的成本，在电机领域应用具有更大的潜力，关键是其能效特性能否令用户满意。在多数文献中，为提高叠压式非晶定子铁心电机运行效率，通常改变定子铁心结构达到提升电机能效的目的，但该种方法增加了非晶铁心的制造难度，使其难以推广。

本文使用块状非晶材料作为异步电机定子铁心，探究采用混合铁心（定子为非晶合金铁心，转子为硅钢铁心）和纯硅钢铁心的三相笼型异步电机的损耗和效率状态。针对非晶合金铁心饱和磁密低及过饱和导致的铜耗增大问题，在不改变非晶电机定子铁心结构情况下，提出通过降低电机额定运行电压减小其内部磁通密度，进而达到减小定子电流和铜耗的目的。结合有限元以定子采用非晶材料的YKK3552-4型200 kW三相笼型异步电机为例，分析混合铁心电机小幅降压2%、4%、6%、8%的能效特性，并使用3 kW测试样机依次降压2%、4%对其可行性进行实验验证，通过能效测试平台证实小幅降压对混合铁心电机能效提升的效果。

1 电机损耗模型

1.1 铁耗模型

Bertotti常系数三项式是常用的铁耗计算模型，该模型将电机铁耗划分为磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗三类［13-14］。模型表示为

PBertotti=Ph+Pe+Pa=khB2f+keB2f2+kaB1.5f1.5。（1）

式中：PBertotti是电机铁心总损耗；Ph、Pe、Pa分别表示电机铁心的磁滞损耗、涡流损耗以及附加损耗；kh、ke、ka分别为其对应的损耗系数。kh、ka可根据铁心损耗曲线进行拟合求得。叠压式铁心涡流损耗系数ke表达式为

ke=π2d26ρρc。（2）

式中：d为硅钢片厚度；ρ为硅钢片密度；ρc为硅钢片电阻率。

式（2）适用于叠压式铁心涡流损耗系数求解，对于实心固体铁心，涡流损耗计算［15］算式为

Pe=π2d2Vγ6B2f2。（3）

其中d为涡流趋肤深度，即

d=1πfγμm。（4）

式中：V为存在涡流损耗的体积；γ为铁心材料的电导率；μm为铁心材料的磁导率。

将涡流趋肤深度d代入式（3）得

Pe=πV6fμmB2f2。（5）

故块状铁心涡流损耗系数表达为

ke=πV6fμm。（6）

1.2 铜耗模型

1.2.1 定子铜耗

异步电机在三相正弦电压供电时，由于磁饱和因素影响，定子侧会产生高频奇数次谐波［16］，为计及不同谐波对定子侧铜损的影响，定子铜损计算公式为

psCu=1nT∫nT0Rp（i2A+i2B+i2C）dt。（7）

式中：psCu是定子绕组铜耗；T是定子绕组的电流周期；n是周期数；Rp是定子相电阻；iA、iB、iC分别是定子相电流关于时间函数的时域瞬时值。

1.2.2 转子铜耗

定子谐波磁场与转子相对运动时，转子导条内产生高次谐波电流，导致导条电流密度分布不均，无法采用均值或某点的电流密度反映转子导条整体的电流密度分布。因此可借助有限元数值计算工具，求解出转子导条每个单元格内的铜耗，再对每个单元格铜耗进行求和［17］，转子导条表达式为

prCu1=∑Δ∑k1σlefSΔJ2Δk。（8）

式中：prCu1是转子导条总损耗；SΔ是转子导条单元剖分的面积；JΔk是导条剖分单元内的电流密度有效值；σ是转子导条的电导率；lef是导条的有效长度。

除转子导条损耗外，还需考虑转子端环损耗：

prCu2=∑2Z2j=1I2ejRej。（9）

式中：prCu2是转子端环总损耗；Z2是转子导条数；Iej是第j段端环电流的有效值；Rej是第j段的端环电阻。

结合式（8）、式（9），可得转子总铜耗表达式为

PrCu=PrCu1+PrCu2。（10）

2 数值仿真分析

通过有限元软件搭建YKK3552-4型笼型200 kW电机的二维瞬态场仿真模型。电机基本参数及结构模型如表1和图1所示。

在模型材料属性设置阶段，为准确设置铁心材料参数，需依托实验平台对非晶合金与硅钢铁心进行电磁性能测试，图2是主要思路框图。

仿真电机的定子铁心分别采用非晶合金和叠压系数为0.97的硅钢片，转子铁心均采用叠压系数0.97的硅钢片。测试方法原理如图3［18］所示，图中，激励线圈与测试线圈的匝数比为N1/N2=46/23。

实验时，令非晶铁心与硅钢铁心激励侧绕线方向一致，感应侧绕线方向相反。图4为实验波形。图中：U1与U2分别为激励线圈与测试线圈的电压波形；Im为激励侧的电流波形。可以看到，激励侧与感应侧电压相位差分别为0°和180°；非晶合金与硅钢铁心一次线圈的电压、电流相位差分别为79°和54°；U2侧电压均未出现畸变，表明试样未饱和。

在50 Hz基频下B-H、B-P及B-μr曲线如图5所示。非晶合金的饱和磁密及单位铁损均低于硅钢铁心，在磁密为0.4 T时，硅钢单位铁损是实心非晶合金铁损的6.24倍。在磁密较低时，非晶合金的相对磁导率大于硅钢，随着饱和深度加重，两者磁导率都出现下降，但非晶材料下降更快，当磁密超过0.7 T时，硅钢的磁导率大于非晶合金铁心。

依据测试结果对铁损系数进行拟合，得到铁心损耗表达式（1）中各系数值如表2所示。图6是两种铁心损耗密度的计算曲线与实测值对比。

使用上述电磁实验平台所测数据，在有限元材料库中定义非晶合金与硅钢的材料属性，应用于YKK3552-4型笼型200 kW电机模型，并在二维瞬态场完成仿真模拟。

电机定子电流如图7所示，图8是电机满载运行从启动至稳态时损耗随时间变化曲线。铁损整体变化为先增大后减小，最后基本保持不变。原因是电机全压启动时电流较大（如图7（a）所示），在初始阶段漏阻抗压降大，导致铁心磁密很低，因此尽管转子磁密交变频率较大（接近50 Hz），但电机整体铁耗仍较低。随着转子转速上升，启动电流有所下降，铁心磁密上升，导致定子铁心损耗存在一个极大值。转速继续上升时，转子铁心磁密交变频率显著降低，导致其铁耗大幅下降，磁饱和现象进一步限制了磁密增长，故整体铁耗呈现下降趋势。机组稳定后，电机铁耗基本维持不变。图8中还可以看到，机组稳定后，铁耗存在波动，一方面因电机运行电压较高，铁心局部饱和，磁阻增加，磁通密度降低且分布不均；另一方面由于转子斜槽存在，导致磁场产生扭曲和畸变，使得磁通密度在定、转子铁心产生波动，进而影响铁耗的变化。

表3是两种电机满载运行达到稳态后的平均铁损，可见，混合铁心电机相比于硅钢电机可较大幅度降低铁耗。

图9是电机满载稳定运行时定子一相电流波形，混合铁心电机定子电流是硅钢电机的1.23倍。结合式（7）～式（9）可得定子铜耗与转子铜耗平均值如表4所示。

结合铁耗、铜耗数据可知，电机满载运行时，硅钢电机与混合铁心电机铁耗与铜耗之和分别为16.83、17.58 kW。非晶合金虽能减少铁耗，但额定电压下铜耗较大，使得电机效率下降。为实现降损增效，可尝试降低电机运行电压来降低磁场饱和度。

图10是满载、降低混合铁心电机电压运行至稳定时平均铁耗的变化情况。可以看出，铁耗随着运行电压下降而增大。其原因是电机在过饱和运行状态下，铁耗将产生一定波动，如图8（a）所示；当电机降压运行时，随着定子电流的减小，转差率增加，因电机负载保持不变，其内部磁通密度波动增强，铁耗波动进一步增大，导致平均铁耗增加。

表5是电机降压运行达到稳定时，经有限元分析得到的一段时间内铁耗波动较大时定子侧磁密最大值的平均值、最小值的平均值以及平均磁密。因电机高度饱和，随着降压幅度的增大，转差率增加，使磁密分布不均匀性更加明显，经有限元分析可知，混合铁心电机磁密最大值增加，磁密最小值保持不变，平均磁密变化较小，表明电机降压运行时，电机定子侧磁密最大值波动较大，定子铁心仍存在局部饱和，导致铁耗平均值呈现增加趋势。

图11是混合铁心电机降压运行时定子电流与铜耗变化情况。可以看出，定子电流与定子铜耗均随运行电压下降而减小。理论上，在负载不变时，降压运行会导致定子电流增大（有功分量增大），但因电机处于饱和态，无功电流过大，因此，降压时无功电流降幅大于有功电流增幅，故整体上定子电流是下降的。图11（b）中转子损耗呈增大趋势，这是因为负载不变，降压致使转子导条有功电流上升，转子铜耗增大。电机总铜耗呈现先减小后增大的趋势。

使用非晶合金铁心替代传统硅钢铁心，降低运行电压时，定子电流与磁场变化会对电机启动性能产生一定影响，为确保混合铁心电机降压运行具有较好的启动性能，仿真得到两种电机转矩-转速曲线如图12所示。

由图12（a）知，在相同转速下，混合铁心电机转矩大于硅钢电机，就启动性能而言，混合铁心电机优于硅钢电机；由图12（b）知，当降低混合铁心电机运行电压时，启动性能逐渐下降；由图12（c）知，当混合铁心电机运行电压降低2%、4%时，启动性能仍优于硅钢电机；当混合铁心电机运行电压降低6%时，启动性能与硅钢电机相当；当混合铁心电机运行电压降低8%时，此时硅钢电机启动性能优于混合铁心电机。

图13是硅钢电机与混合铁心电机能效比对。混合铁心电机降压运行时，其效率先增大后减小。电机降压4%运行时，其效率达到最大值，此时电机总损耗降低0.87 kW，效率为92.39%，比原混合铁心电机效率提高0.43%，比硅钢电机效率提高0.09%。

3 实验测试

为评估非晶合金对降低异步电机损耗的效果，选取一款3kW的工业标准三相笼型异步电机，其参数如表6所示。按照该电机定子硅钢片结构参数使用非晶材料加工相同的定子铁心，并与硅钢铁心的转子配合，制作一台结构参数与标准电机完全相同的混合铁心三相鼠笼异步电机，如图14所示。

本文电机能效测试平台由电机测试平台和测控柜两部分构成，如图15（a）、图15（b）所示。电机测试平台主要包含电涡流测功机、联轴器、扭矩转速传感器以及被测电机等模块，在放置被测电机时，需确保其与测功机连接轴对正，并用压条和螺纹杆将被测电机固定在三维调节台上；测控柜设备包扩电机三相交流电参数测量仪、转速转矩测量仪、计算机系统。为改变异步电机的运行电压，在进线侧串联三相自耦调压器。负载实验采用自动加载模式设置定点转矩，步进值为2 N·m，记录不同负载时刻下电机效率、功率因数、转速以及电流。

实验首先在不同机械负载下记录混合铁心电机和硅钢电机的运行参数，随后将混合铁心电机运行电压依次降低2%、4%，在不同负载下记录其运行参数。

图16为硅钢电机、混合铁心电机稳定运行时空载与满载电流比对。在硅钢电机额定电压下，硅钢电机与混合铁心电机空载电流分别为2.98与3.55 A，混合铁心电机定子已进入饱和区，因此分别在混合铁心电机空载和满载时，降低其运行电压，降幅为原硅钢电机额定电压的2%和4%。可以看到：在空载状态下，随着电压和磁场饱和度下降，空载电流显著减小；在满载时定子电流呈现增加趋势，增量以有功电流为主。与图11比较也可以发现，仿真机组容量较大，磁场饱和度较高，故降低运行电压带来定子电流的下降，而本实验的小型异步电机的饱和度较低，其无功电流比重较小，降压时定子电流呈现小幅上升趋势。

图17是两种电机测试时，混合铁心电机依次降低电压的0%、2%、4%，硅钢电机保持原电压不变，定子一相电流随负载转矩变化曲线。在负载转矩增加时，两种电机定子电流均随之增大；当混合铁心电机轻载时，降低其运行电压，定子电流无功分量随之降低，定子电流整体呈现下降趋势；当非晶电机重载时，由上文分析知，电压降低时定子电流呈现上升趋势。

图18是硅钢电机与混合铁心电机在不同电压运行时效率随负载转矩变化曲线。随着负载转矩的增加，其效率随之增大。

图19（a）、图19（b）是电机满载状态下稳定运行时总损耗与效率的比对，硅钢电机总损耗是混合铁心电机总损耗的1.29倍，混合铁心电机效率比硅钢效率高2.75%。当混合铁心电机降压2%时，其效率提高0.36%，降压4%时，电机效率开始下降。表7是硅钢电机与混合铁心电机相关数据比对。由表可知，硅钢电机空载电流相对较小，这一特性在一定程度上反映了其在减少电机空载损耗方面的优势，但考虑到电机效率与材料性能的比较，非晶合金以其独特的电磁特性——高磁导率与低矫顽力，预示着在降低电机运行过程中的整体能耗、提升能量转换效率方面具备更大潜力。因此，尽管硅钢电机在特定条件下（如空载状态）表现出良好的电流性能，随着电机设计向更高效、更紧凑的方向发展，非晶合金材料因其更为优越的电磁性能，正逐渐成为电机领域材料革新的焦点，预示着未来电机技术的可能飞跃。

4 结 论

针对非晶合金具有较低的磁饱和导致电机铜耗增加的问题，本文提出降低电机运行电压抑制混合铁心电机的磁饱和和损耗的方法，完成了仿真和实验验证，得出结论如下：

1）在相同运行工况下，混合铁心电机启动性能不仅优于普通硅钢电机，且铁损较小，但非晶铁心磁密饱和度较低，不利于中型电机效率提升，对小型电机运行效率提升较为显著。

2）无论是中型混合铁心电机还是小型混合铁心电机，在满载运行工况下，磁路饱和后电流变大导致铜耗增大问题，适当降低运行电压，可有效降低电机损耗，提高混合铁心电机运行效率。

3）针对本文提出降压运行提高电机能效的方法，经实验验证可知，在满载工况下，当3 kW样机降压2%运行时效率最优，总损耗降低2.5%，效率提高0.36%。

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（编辑：刘素菊）