李立軍，盧志超，李山紅，李 準，李廣敏，李德仁

(中國鋼研科技集團有限公司，北京 100094)

0 引 言

非晶合金帶材具有高磁導率、高電阻率、低損耗等優(yōu)異的電磁性能，已被廣泛應用于變壓器、電抗器等電力電子設備中，以實現(xiàn)其高效、高頻及輕量化。例如，鐵基非晶帶材已經(jīng)廣泛替代硅鋼材料應用于配電變壓器鐵心，可將變壓器的空載損耗降低70%以上[1]。在上述應用中，非晶帶材一般是被制作成卷繞鐵心，這是因為非晶帶材具有薄、硬、脆的特點，具有較大的加工難度和較高的加工敏感性。近年來，非晶疊塊鐵心制備方法促進了非晶帶材在電機鐵心中的研究與應用[2-4]，國內(nèi)外學者陸續(xù)將非晶合金鐵心應用于感應電機[5]、永磁電機[6]、開關磁阻電動機[7]等機型，尤其是在高速、高頻應用領域[8]。

開關磁阻電動機定、轉(zhuǎn)子鐵心均為凸極結構，且轉(zhuǎn)子無繞組和永磁材料，適合高速運轉(zhuǎn)，在航空航天、精密制造和家用電器等高速應用領域得到了廣泛應用[9，10]。簡單少齒的定、轉(zhuǎn)子結構可適當降低非晶鐵心加工難度和成本，有利于非晶開關磁阻電動機的開發(fā)和推廣。另外，開關磁阻電動機具有獨特的電磁特性，其遵循磁阻最小原理，轉(zhuǎn)矩與相電感的變化率成正比，鐵心磁通波形為非正弦波且存在嚴重的局部飽和，其靜態(tài)電感特性、磁鏈特性及轉(zhuǎn)矩特性均與電機定轉(zhuǎn)子鐵心的磁性能密切相關[11，12]。因此，系統(tǒng)分析非晶鐵心磁特性及其對開關磁阻電動機性能的影響，可為電機優(yōu)化設計與性能提升提供必要的參考數(shù)據(jù)。

本文試制了非晶定子鐵心，并應用于800W，35 000 r/min 的高速開關磁阻電動機中，通過對鐵心磁性能、電機靜態(tài)特性及電機負載運行特性的測試，分析并評估非晶鐵心磁性能特點及其對電機性能的影響。

1 實 驗

在鐵心磁性能測試中，采用IWATSU公司的B-H曲線測試系統(tǒng)測量定子鐵心在不同頻率、不同磁通密度下的磁滯回線及損耗曲線。

在電機靜態(tài)測試中，用聯(lián)軸器連接分度盤主軸和電機轉(zhuǎn)子軸,以調(diào)整、固定轉(zhuǎn)子極與定子極的相對位置逐個進行測試。采用Agilent公司的E4980A精密阻抗分析儀測量某相繞組在不同轉(zhuǎn)子位置角、不同工作頻率下等效相電感；采用EDK公司的DPG10功率電感測試儀用大信號脈沖法測法測量電機在不同轉(zhuǎn)子位置角下的相電感-電流曲線，同時測量出相同室溫下的電機繞組的電阻值。

在電機負載運行實驗中，配套的離心風機作為負載與電機裝配，采用Tektronix公司MSO4104型示波器測試不同轉(zhuǎn)速下的電機相電流脈沖頻率、波形及有效值；采用FLUKE公司的NORMA5000型功率分析儀測試電機負載運行時的輸入功率；采用熱電偶測量定子鐵心外表面溫度并自動記錄溫升曲線。

2 結果與討論

2.1 鐵心制備方法

非晶鐵心選用國產(chǎn)1K101帶材，成分為Fe80Si9B11(at.%)，帶寬為142 mm。按如下2種加工工藝加工鐵心。

疊塊法：首先將非晶合金帶材剪成80 mm長的帶片，然后疊成142 mm×80 mm×30 mm的疊塊,在熱處理爐溫度400 ℃、氮氣氛圍下保溫90 min。將處理好的疊塊浸入環(huán)氧樹脂中浸泡1 h，然后在固化爐溫度170 ℃環(huán)境中保溫2 h進行固化。最后，采用線切割方式在疊塊中切出定子鐵心沖片槽形。

沖片法：首先將5層非晶帶材按照定子圖紙在沖床上直接沖成沖片，然后放入退火爐中進行熱處理，在爐溫400 ℃、氮氣氛圍下保溫90 min。將處理好的沖片疊層碼放在定型工裝內(nèi)以保持鐵心形狀，再整體放入環(huán)氧樹脂浸漆液中浸泡1 h后放入固化爐，在爐溫170 ℃下保溫2 h進行固化，最后拆去工裝并對鐵心表面進行清理和修整。

2種非晶鐵心外形如圖1所示。另外，硅鋼鐵心采用國產(chǎn)牌號為35W300的冷軋無取向硅鋼片并采用通用沖片疊鉚工藝制備。

圖1 非晶疊塊鐵心和非晶沖片鐵心

受非晶合金帶材自身薄、硬和脆的特點影響，沖片法制備非晶定子鐵心工藝對沖模及定型工裝精度要求較高，沖模使用壽命短，沖片邊緣有毛刺,易發(fā)生脆斷，層間難以實現(xiàn)鉚固定位，熱處理及疊碼定型的效率遠低于傳統(tǒng)的硅鋼沖片疊鉚工藝。相對而言，在疊塊法制備非晶定子鐵心工藝中，疊塊對定型模具精度要求低，其熱處理及浸漆固化工藝簡單高效，后序采用線切割加工可滿足鐵心加工精度要求。3種鐵心及其所用原材料主要參數(shù)如表1所示。非晶合金鐵心的疊壓系數(shù)均小于硅鋼鐵心，這是由于非晶材料磁性能對應力的敏感性較大，較大的疊壓應力會惡化其損耗特性;另外,受沖片邊緣毛刺影響,非晶沖片鐵心的疊壓系數(shù)略小于非晶疊塊鐵心。

表1 所用原料及鐵心主要參數(shù)

2.2 鐵心性能測試

圖2為采用B-H曲線分析儀測試的非晶沖片鐵心、非晶疊塊鐵心和硅鋼沖片鐵心在50 Hz，1 kHz下的交流磁化曲線。其中，2種非晶鐵心在2個頻率下的磁化曲線均基本重合，磁導率基本不變。與之相比，硅鋼鐵心在2個頻率下的磁化曲線出現(xiàn)明顯偏離，磁導率隨頻率升高而下降。其次，2種非晶鐵心的飽和磁密均略低于硅鋼鐵心：在1 kHz，2 000 A/m條件下，三者的磁密值分別為1.49 T，1.46 T和1.59 T。另外，非晶沖片鐵心在磁導率和飽和磁密性能上略優(yōu)于非晶疊塊鐵心，更接近于非晶帶材自身的磁性能，這與非晶疊塊鐵心在線切割過程中受到切削應力和局部高溫影響有關。

圖2 非晶鐵心與硅鋼鐵心交流B-H曲線對比

選取3種鐵心在1.0 T，50 Hz和1 kHz 2個頻率下的測試數(shù)據(jù)繪制其磁滯回線，如圖3所示。非晶沖片鐵心磁滯回線呈現(xiàn)為陡、窄的特點，非晶疊片鐵心略次之，但硅鋼鐵心則明顯呈現(xiàn)出緩、寬的特點，其磁滯回線形狀在1 kHz下的寬度較50 Hz下顯著增大。磁滯回線所包圍的面積表示鐵心一個磁滯循環(huán)所需要的能量，即鐵心損耗。因此，與硅鋼鐵心相比，非晶鐵心的低損耗特性在高頻下的表現(xiàn)會尤為突出。

圖3 非晶鐵心與硅鋼鐵心磁滯回線對比

圖4為1 kHz條件下3種鐵心損耗曲線。與圖3中對比可看出，在1.0 T時，硅鋼鐵心損耗值約為100 W/kg,約為非晶鐵心損耗的10倍以上；非晶沖片鐵心損耗略低于非晶疊塊鐵心，分別為5.5 W/kg和8.0 W/kg。除本文所述加工應力和局部高溫影響外，非晶疊塊鐵心切割面處的材料在線切割過程中發(fā)生層間粘連而導致渦流損耗增大，也是造成其損耗較沖片鐵心較高的原因之一。

(a) 硅鋼鐵心

(b) 非晶鐵心圖4 3種鐵心在1 kHz頻率下?lián)p耗測試曲線

2.3 電機靜態(tài)特性測試

選擇疊塊法制備的非晶鐵心進行繞線并裝配成非晶電機，如圖5所示。同時，另外一臺采用傳統(tǒng)沖鉚法制備的硅鋼鐵心的硅鋼電機進行對比測試。兩種電機具有相同的結構及繞組參數(shù)，轉(zhuǎn)子均采用硅鋼鐵心。

圖5 具有非晶疊塊定子鐵心的開關磁阻電動機

電機定子為4極兩相結構，相對兩個極串聯(lián)組成其中一相，轉(zhuǎn)子采用2極不均勻氣隙結構。當轉(zhuǎn)子極與某相定子極完全對齊時，等效磁路的氣隙最小，電機相電感值最大；當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180°機械角后，相電感再次達到最大值，即為一個相電感周期。

圖6為采用精密LCR測試儀測試的非晶電機和硅鋼電機的等效相電感曲線簇，測試頻率為50Hz，1 kHz，2 kHz。

由于轉(zhuǎn)子為不均勻氣隙結構，電機相電感在108 °轉(zhuǎn)子角位置處達到峰值，且在0 和180 °轉(zhuǎn)子角處達到最小值。在3個測試頻率下，非晶電機的相電感峰值均高于硅鋼電機，例如：在1 kHz下，非晶電機和硅鋼電機相電感峰值分別為10.4 mH和9.6 mH。另外，非晶電機和硅鋼電機的相電感峰值均隨測試頻率升高而下降，但硅鋼電機相電感峰值下降趨勢更明顯，此結果與非晶材料在高頻下保持較高磁導率而硅鋼材料磁導率顯著下降的特點是一致的。

圖6 非晶電機和硅鋼電機相電感曲線

在簡化的開關磁阻電動機等效磁路模型中，相電感與鐵心磁導率以及電機結構參數(shù)有關，包括等效磁路長度、繞組匝數(shù)及氣隙長度等。在結構參數(shù)相同的情況下，鐵心磁導率越大，電機相電感值越大。因此，較大的相電感峰值可增大相同轉(zhuǎn)速下電機相電感變化率，從而有利于電機轉(zhuǎn)矩的提升。

磁鏈-電流磁化曲線是開關磁阻電動機結構設計及控制參數(shù)優(yōu)化的重要依據(jù)，其中，電機轉(zhuǎn)子極與定子極完全對齊、半對齊、開始對齊及完全不對齊4個位置下的磁化曲線是電機各項性能計算的基礎。2種電機在上述4個位置下的磁化曲線如圖7所示，4個位置分別對應角度為108°、90°、45°和0，磁化曲線上某點的斜率即為功率電感測試儀測得的該點在某電流值下的增量電感值?？梢钥闯?，當轉(zhuǎn)子在0和45°位置角時，電機氣隙較大，相電感較小，鐵心在整個測試電流范圍內(nèi)都處于不飽和狀態(tài)，磁鏈曲線基本重合，并不受鐵心材料性能差異影響；但在90°和108°位置角時，電機氣隙較小，相電感值較大，當繞組電流值大于5 A時鐵心開始飽和，且非晶電機的飽和磁鏈值小于硅鋼電機飽和磁鏈值，這歸因于非晶鐵心較低的飽和磁密值和疊壓系數(shù)值。

圖7 非晶電機與硅鋼電機磁鏈-電流曲線

2.4 電機負載運行試驗

鐵心損耗和繞組電阻損耗所產(chǎn)生的熱量是造成電機溫升的主要原因。當非晶電機和硅鋼電機以相同轉(zhuǎn)速拖動離心風機運行在較小相電流區(qū)間時，電機鐵心均處于未飽和狀態(tài)，2種電機繞組電流脈沖的頻率和有效值基本相同，經(jīng)計算，兩者的銅耗計算值基本相同，如表2所示。

表2 非晶電機和硅鋼電機負載運行參數(shù)

另外，表2的輸入功率測試數(shù)據(jù)表明，在2個相同轉(zhuǎn)速情況下，非晶電機的輸入功率均小于硅鋼電機。其中，硅鋼電機在30 000 r/min負載運行時輸入功率為533 W，而非晶電機輸入功率較之降低了約60 W。若忽略風機風摩阻差異，2種電機在相同轉(zhuǎn)速下應具有相同的軸功率輸出。因此可推斷，在15 000 r/min和30 000 r/min轉(zhuǎn)速負載運行下，2種電機的相電流、銅耗及輸出軸功率基本相同，非晶電機較硅鋼電機輸入功率明顯降低，這歸因于其非晶定子鐵心損耗的減小。

圖8為實測的2種電機在2種轉(zhuǎn)速負載運行時的定子鐵心外表面溫度變化曲線?？梢钥闯?，在30 000 r/min轉(zhuǎn)速下，非晶電機鐵心溫升曲線斜率顯著低于硅鋼電機，在400 s時兩者溫度分別升至48 ℃和64 ℃；在15 000 r/min 轉(zhuǎn)速下，非晶鐵心與硅鋼鐵心溫升速率差距減小，在480 s時，兩者溫度分別為36 ℃和40 ℃。溫升測試曲線對比結果與電機輸入功率對比結果基本一致?？梢?，非晶鐵心的低損耗特性可明顯降低電機溫升，且在高速下的效果更佳顯著。

圖8 非晶電機和硅鋼電機定子鐵心溫升曲線

3 結 語

本文分別用疊塊法和沖片法制備出非晶定子鐵心，并與硅鋼鐵心的進行對比測試。結果表明，非晶鐵心具有優(yōu)良的高磁導率、低損耗特性，但受浸漆與疊壓應力影響，非晶鐵心的疊壓系數(shù)均低于硅鋼鐵心；另外，受加工應力、切口質(zhì)量及局部高溫影響，非晶沖片鐵心的磁性能略優(yōu)于非晶疊塊鐵心。

將非晶疊塊定子鐵心裝配成高速開關磁阻電動機并對其靜態(tài)性能和負載運行性能與硅鋼電機進行對比測試。結果表明，非晶鐵心的高磁導率特性有利于提高開關磁阻電動機的相電感峰值，其低損耗特性可顯著降低電機鐵心損耗及溫升，尤其是在高速、高頻工況下。然而，非晶鐵心較低的飽和磁密和疊裝系數(shù)降低了非晶電機的飽和磁鏈值。本文結果可為非晶定子鐵心制備方法優(yōu)化以及高速開關磁阻電動機設計和性能提升提供數(shù)據(jù)參考。