朱龍飛，于慎波，韓雪巖，朱建國(guó)

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，沈陽(yáng) 110870；2. 悉尼科技大學(xué) 電氣機(jī)械和機(jī)電系統(tǒng)學(xué)院， 新南威爾士州 悉尼 2007)

0 引 言

非晶合金材料具有單片薄(單片厚度僅為0.03mm)、電阻率大(約為傳統(tǒng)35W270冷軋硅鋼片的3倍)等優(yōu)點(diǎn)，其渦流損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)硅鋼片材料，利用非晶合金材料代替硅鋼片材料制造電機(jī)鐵心可有效降低電機(jī)的鐵心損耗。但非晶合金材料同時(shí)存在兩個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)，從而一定程度上限制了其在電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用：(1)非晶合金材料損耗性能受加工影響嚴(yán)重，加工后非晶合金鐵心的損耗遠(yuǎn)高于帶材[1-2]；(2)非晶合金材料飽和磁導(dǎo)率和疊壓系數(shù)均低于硅鋼片材料，從而導(dǎo)致非晶合金電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和各部分損耗之間的比例關(guān)系不同于硅鋼片電機(jī)[3-4]。

基于上述問(wèn)題，本文利用有限元方法分析一臺(tái)表貼式非晶合金永磁電機(jī)在PWM逆變器供電情況下的損耗，得出損耗分布規(guī)律，并利用實(shí)驗(yàn)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 非晶永磁電機(jī)損耗計(jì)算方法

1.1 考慮加工影響的定子鐵心損耗計(jì)算方法

工程上較為常用的傳統(tǒng)鐵心損耗計(jì)算方法如式(1)所示，但該方法僅用于計(jì)算電工鋼片帶材在正弦交變磁化情況下的鐵耗，無(wú)法計(jì)及加工、旋轉(zhuǎn)磁化、諧波等因素的影響。但是在計(jì)算非晶合金電機(jī)鐵耗時(shí)，忽略加工的影響將會(huì)使計(jì)算結(jié)果存在嚴(yán)重的偏差[5]。因此，本文根據(jù)文獻(xiàn)[5]中實(shí)測(cè)的非晶合金鐵心損耗數(shù)據(jù)，利用非線性擬合方法直接分析得出式(1)中考慮加工影響的非晶合金定子鐵心相關(guān)損耗系數(shù)，如表1所示。

(1)

式中，pFe為鐵心損耗密度，W/kg；ph為磁滯損耗，W/kg；pe為渦流損耗，W/kg；Bm為磁通密度幅值，T；f為鐵心磁密變化頻率，Hz；kh、α為磁滯損耗系數(shù)，ke為渦流損耗系數(shù)。

表1 非晶合金鐵心損耗計(jì)算公式系數(shù)

由于本文中的非晶合金鐵心損耗曲線是在正弦交變磁化情況下測(cè)量的，而對(duì)于鐵心軛部旋轉(zhuǎn)磁化相對(duì)于齒部交變磁化引起的損耗差異，朱建國(guó)教授利用旋轉(zhuǎn)磁化測(cè)量?jī)x器對(duì)硅鋼片在旋轉(zhuǎn)磁化條件下的損耗進(jìn)行了測(cè)量。在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用非線性擬合的方法建立了旋轉(zhuǎn)磁化模型[6]，并提出了考慮旋轉(zhuǎn)磁化的鐵心損耗計(jì)算方法，實(shí)驗(yàn)證明該方法具有較高計(jì)算精度[7]。但該旋轉(zhuǎn)磁化測(cè)量?jī)x器十分稀有，實(shí)驗(yàn)成本較高，很難被廣泛應(yīng)用。B.Stumberger等人提出了正交分解的旋轉(zhuǎn)磁化鐵耗等效計(jì)算方法[8]，由于其計(jì)算簡(jiǎn)便且誤差可以滿足工程精度的要求，得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于由諧波引起的鐵耗增量，通常采用的方法是將鐵心中的非正弦磁密波形傅里葉分解成基波和各次諧波形式，并分別將基波和各次諧波磁密幅值和相應(yīng)的頻率代入到式(2)中計(jì)算后代數(shù)相加[9-10]。由此，基于上述損耗計(jì)算方法，計(jì)及加工、旋轉(zhuǎn)磁化、諧波因素影響的非晶合金定子鐵心損耗計(jì)算模型為

(2)

式中，ρA為非晶合金材料密度，kg/m3；v為定子鐵心磁密諧波次數(shù)；Bvr和Bvθ分別為v次諧波徑向和切向磁密分量，T；V為鐵心體積，m3。

1.2 永磁體渦流損耗計(jì)算方法

PWM逆變器供電負(fù)載情況下，永磁體中的渦流損耗主要由三部分諧波引起，分別為由于定子開(kāi)槽導(dǎo)致的氣隙磁導(dǎo)諧波、由于定子繞組分布非正弦導(dǎo)致的繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波以及由PWM逆變器供電載波引起的電流時(shí)間諧波[11-12]。本文采用3D有限元方法對(duì)上述三種諧波引起的永磁體渦流損耗進(jìn)行分離，計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 永磁體渦流損耗計(jì)算流程

2 非晶永磁電機(jī)損耗計(jì)算分析

2.1 樣機(jī)與PWM逆變器參數(shù)

本文以一臺(tái)2.1kW表貼式非晶合金永磁伺服電機(jī)為例，計(jì)算了其在PWM逆變器供電情況下熱態(tài)負(fù)載(轉(zhuǎn)速為3000r/min，基波頻率為200Hz)時(shí)的各部分損耗的比例關(guān)系，并利用實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)負(fù)載情況下非晶合金永磁電機(jī)的損耗對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。用以供電的逆變器的載波頻率為8kHz，利用示波器記錄了負(fù)載時(shí)的電流波形，如圖2(a)所示。

圖2 實(shí)測(cè)電流波形與Simulink生成電流波形對(duì)比

但由于示波器檢測(cè)電流時(shí)電流鉗會(huì)引入新的諧波成分，因此本文利用Simulink搭建變頻器控制電路，生成電流理論波形，如圖2(b)所示。通過(guò)對(duì)兩種電流波形諧波成分對(duì)比可知，由控制電路生成的電流波形與實(shí)測(cè)電流波形相符性良好，如圖3所示。

圖3 實(shí)測(cè)電流波形與Simulink生成電流波形諧波對(duì)比

2.2 樣機(jī)損耗計(jì)算

本文按照不同的磁化方式在定子鐵心內(nèi)6個(gè)典型位置取點(diǎn)，這6個(gè)位置分別是齒頂邊緣、齒頂中部、齒中、齒聯(lián)軛、齒對(duì)軛和槽對(duì)軛，如圖4所示。分別記錄一個(gè)周期內(nèi)6點(diǎn)的磁密變化波形，如圖5所示。將各點(diǎn)的磁密波形經(jīng)傅里葉分解成各次諧波后代入到式(2)中即可得到定子鐵心由各次諧波引起的損耗，如圖6所示。

圖4 定子鐵心取點(diǎn)位置

圖5 定子鐵心內(nèi)各點(diǎn)磁密波形

圖6 各次諧波引起的鐵心損耗

圖7為定子繞組0電流、定子繞組通入正弦負(fù)載電流和定子繞組通入PWM負(fù)載電流3種情況下永磁體內(nèi)的渦流密度分布。這3種情況分別對(duì)應(yīng)由氣隙磁導(dǎo)諧波、定子繞組磁動(dòng)勢(shì)諧波以及載波引起的永磁體渦流損耗，3種損耗的具體計(jì)算數(shù)值如圖8所示。

圖7 永磁體渦流密度

圖8 永磁體內(nèi)渦流損耗

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖9為非晶合金永磁電機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)線路，本文利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試了2.1kW非晶合金永磁電機(jī)在PWN逆變器供電情況下的負(fù)載損耗，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如圖10所示。需要指出的是，圖10中損耗實(shí)驗(yàn)值為電機(jī)總損耗減掉銅耗和機(jī)械損耗的剩余部分，即定轉(zhuǎn)子鐵心中、永磁體中、結(jié)構(gòu)件中的總損耗，其中機(jī)械損耗是利用假轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分離的。從圖10中可以看出，損耗計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為接近，驗(yàn)證了損耗計(jì)算結(jié)果的有效性。計(jì)算值略小于實(shí)測(cè)值，分析原因是由于計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有考慮轉(zhuǎn)子鐵心損耗以及機(jī)殼、端蓋、軸等金屬結(jié)構(gòu)件中的渦流損耗。

圖9 實(shí)驗(yàn)線路圖

圖10 損耗計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

3 結(jié) 論

本文分析了一臺(tái)表貼式非晶合金永磁電機(jī)在PWM逆變器供電情況下的損耗，并利用實(shí)驗(yàn)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。由分析結(jié)果可以看出，PWM逆變器供電情況下，由載波引起的損耗分量占非晶永磁電機(jī)損耗的比例很大，其引起的定子鐵心損耗占總定子鐵心損耗的48.4%；引起的永磁體渦流損耗占總永磁體渦流損耗的94.2%。由載波引起的損耗分量占非晶永磁電機(jī)總損耗的66.0%，是最主要的損耗部分。