黃安貽，禹 雷

(武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070)

電機損耗包括繞組銅耗、鐵芯損耗、機械損耗和雜散損耗四大類[1]。鐵芯損耗是由于鐵磁材料在交變磁場作用下產生的損耗，會引起電機發(fā)熱溫升，若電機溫升過高，會降低永磁電機性能，甚至使永磁體產生退磁[2]，給電機帶來不可逆轉的損壞。

筆者以豐田公司pruis混合動力車型所使用的永磁同步電機為對象，研究當電機鐵芯采用不同疊壓系數(shù)時的損耗情況。在電機鐵芯工藝中，疊壓系數(shù)是一項非常重要的參數(shù)[3-4]。鐵芯疊壓工藝是將一定數(shù)量硅鋼片整理、壓實、固定，在后面工序中不松散、不變形。疊壓過程中，疊壓系數(shù)關系到電機鐵耗的大小。若疊壓系數(shù)偏小，會導致鐵芯有效面積減小，電機磁路磁導降低，空載電流升高，功率因數(shù)降低，電機輸出轉矩能力降低；疊壓系數(shù)過大，毛刺會破壞片間絕緣，導致連片，增大渦流損耗。因此，合適的疊壓系數(shù)對電機的各項性能有著十分重要的影響。

1 應力對硅鋼片導磁率影響

硅鋼片在受到應力時，其磁感性能會發(fā)生改變。拉應力和壓應力對硅鋼片分別有促磁和阻磁的作用，硅鋼片的磁導率分別有所增加和減小。材料磁導率和外應力之間關系為：

(1)

式中：μσ為應力作用下的磁導率；Bm為磁通密度峰值；λs為磁致伸縮系數(shù)；σ為應力；Δμ為磁導率變化量，Δμ=μσ-μh；μh為初始磁導率。

硅鋼片為正磁致伸縮材料，其磁致伸縮系數(shù)λs>0。受到拉應力時，σ>0，式(1)兩邊為正，磁導率變化量Δμ>0，磁導率增加；當硅鋼片受到壓應力時，σ<0，式(1)兩邊為負，磁導率變化量Δμ<0，磁導率減小。

硅鋼片被疊壓成鐵芯時，在軸向受到壓應力作用，軸向磁導率減小。磁力線沿徑向傳遞到氣隙，在徑向上，硅鋼片尺寸有所增加，等效于受到拉應力作用，徑向上磁導率增加。

2 鐵耗計算模型

電機的鐵耗是指鐵磁材料在變化的磁場中產生的能量損耗。工程中，常用經驗公式(2)計算鐵耗PFe[5-7]：

(2)

式中：CFe為鐵耗系數(shù)；G為鐵耗重量；f為磁場頻率。

該經驗公式能滿足工廠對于即將出廠的電機估算鐵耗，但其不足之處在于，在科學研究中，無法滿足科研人員研究電機某一項參數(shù)變化對電機鐵耗的影響。

根據(jù)Bertotti提出的三項式鐵耗分離模型，將電機鐵芯損耗分為3部分：磁滯損耗、渦流損耗和異常損耗[8]。磁滯損耗是由于磁疇之間相互摩擦產生的能量損耗；渦流損耗是由于鐵磁材料在交變磁場作用下不斷充磁退磁過程中產生的環(huán)狀渦流引起的損耗；異常損耗由于鐵氧體在外加磁場較弱時剩磁產生的。鐵耗可按式(3)計算：

PFe=Ph+Pc+Pe=

(3)

式中：Ph為磁滯損耗；Pc為渦流損耗；Pe為異常損耗；Kh為磁滯損耗系數(shù)；Kc為渦流損耗系數(shù)；Ke為異常損耗系數(shù)；f為磁場頻率；Bm為磁通密度峰值。

從式(3)可知，磁通密度幅值、硅鋼片厚度、磁場頻率對鐵耗影響較大。而疊壓系數(shù)的取值決定了鐵心的有效面積，鐵芯的有效面積是電機磁路磁導、磁通密度的影響因素之一，因此疊壓系數(shù)的優(yōu)化、取值是電機設計中非常重要的一個環(huán)節(jié)。

3 電機空載、負載磁密特性研究

本文采用的是豐田公司prius混合動力車型使用的永磁同步電機，該電機為8極內置式轉子磁路結構，48槽定子，三相單層繞組。電機具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 pruis車型永磁同步電機性能指標參數(shù)

3.1 電機空載磁場分布

電機空載時理論上繞組相當于開路，電流為零，電機內磁場全來自轉子永磁體勵磁產生。但是實際情況中，由于軸承摩擦阻力、風阻等，定子繞組內有電流，但幅值很小。

以疊壓系數(shù)為94%時為例，電機空載時磁通密度和磁力線分布界面圖如圖1所示，時間為電機接通電源后的0.01 s。從圖1可知，永磁同步電機在空載時，磁通密度分布比較對稱，磁場飽和情況存在于永磁體磁極與氣隙交界處，兩永磁體中間的定子齒部磁感應強度較小，這是因為豐田prius永磁同步電機的永磁體充磁方式是相鄰永磁體垂直充磁，永磁體產生的磁場在一定程度上有所抵消。從磁力線分布可知，電機空載時漏磁較少，磁力線分布比較均勻，大多數(shù)磁力線通過氣隙與定子齒部或軛部相交，只有在永磁體磁極有少量漏磁，屬于正?，F(xiàn)象。

圖1 空載情況下電機內部磁場分布界面圖

3.2 電機負載時磁場分布

圖2(a)和圖2(b)分別為電機負載運行時電機內部的磁通密度分布和磁力線分布情況。從圖2可知，相比于空載時，電機內部磁場強度增大了許多，分布也變得不均勻，此時A相電流達到最大值，由于電樞作用，起到增磁效果，A相附近磁場強度較大。

圖2 負載情況下電機內部磁場分布界面圖

3.3 不同疊壓系數(shù)下的磁通密度峰值分析

根據(jù)電機疊壓系數(shù)選取范圍[9]，選擇94%、94.5%、95%、95.5%4個疊壓系數(shù)。硅鋼片型號為美國牌號M19_29G型硅鋼片，具有高磁導率和低損耗值，厚度為0.33 mm。當電機在額定工況時，保持其他參數(shù)不變，采用不同的疊壓系數(shù)，電機內部磁通密度峰值情況如圖3所示。從圖3可知，疊壓系數(shù)在低于95%時，磁通密度峰值隨著疊壓系數(shù)的增加快速上升；當疊壓系數(shù)超過95%時，硅鋼片趨于飽和，內部磁通密度增長緩慢。因此，做疊壓工藝設計時，疊壓系數(shù)應設計在95%之下，過高的疊壓系數(shù)，由于硅鋼片飽和，磁導率逐漸減小，對電機性能提升不大，并且還有可能導致層間電阻絕緣被破壞，增大渦流。

圖3 不同疊壓系數(shù)下磁通密度峰值

4 定子鐵芯損耗計算

4.1 磁通密度特征點選取

定子鐵芯內部不同位置的磁場分布、磁通密度大小都不相同，各個位置的損耗情況也不一樣。根據(jù)張晃清，趙海森等的研究，可以在定子鐵芯內部各區(qū)域選取特征點，特征點的磁通密度等效為所在區(qū)域的磁通密度，從而計算得到整個鐵芯的損耗[9-10]。

磁通密度特征點的選取應具有代表性，才能提高損耗計算精確度[11]。特征點的選取如圖4所示，a點位于定子齒尖部位，b點位于定子齒冠中間，c點位于定子齒中部，d點位于定子齒部和軛部相交處，e點位于齒槽底部與軛部中間。

圖4 特征點的選取

4.2 特征點磁通密度特性瞬態(tài)分析

以疊壓系數(shù)等于0.94為例，定子繞組通入幅值為250 A的正弦波形電流，對定子鐵芯上選取的5個特征點進行瞬態(tài)分析，各個特征點磁通密度瞬態(tài)分析結果如圖5所示。

圖5 磁通密度特征點瞬態(tài)分析結果

根據(jù)計算結果分析可知：①定子齒部的磁通密度大于軛部磁通密度，在定子齒部區(qū)域，磁通密度情況是：齒尖>齒冠>齒身；②越靠近氣隙的部分，諧波含量越大，越靠近軛部的部位，其磁通密度變化波形越接近正弦。而諧波會帶來比較多的異常損耗，在定子齒尖和齒冠部位產生比較多的熱量。

4.3 定子鐵耗計算

根據(jù)式(3)計算出鐵芯各區(qū)域的鐵耗密度，然后與該區(qū)域體積相乘得到該區(qū)域鐵耗，最后疊加各區(qū)域鐵耗即得到整個定子鐵芯損耗。將M19_29G硅鋼片B-H特性輸入maxwell材料庫后，maxwell計算磁滯損耗系數(shù)為Kh=184.23，渦流損耗Kc=0.386 3,異常損耗系數(shù)Ke=0.27。表2～表6是疊壓系數(shù)從94%～96%變化時，定子各部位鐵耗計算結果。將計算結果整理成條形統(tǒng)計圖的形式，如圖6所示。

表2 疊壓系數(shù)94%的鐵耗計算結果

表3 疊壓系數(shù)94.5%的鐵耗計算結果

表4 疊壓系數(shù)95%的鐵耗計算結果

表5 疊壓系數(shù)95.5%的鐵耗計算結果

表6 疊壓系數(shù)96%的鐵耗計算結果

圖6 采用不同疊壓系數(shù)的定子鐵芯內部損耗

假設在工藝過程中，硅鋼片表面絕緣良好。計算結果表明，定子鐵芯內部，齒尖和齒冠部位磁通密度較大，損耗密度也比較大，達到了50 000～60 000 W/m3，但是由于定子鐵芯齒尖和齒冠部分體積非常小，因此總損耗功率并不大。相比之下，軛部區(qū)域磁通密度小，產生的損耗密度相對較小，在30 000～40 000 W/m3之間。從圖1(b)和圖2(b)可知，軛部磁力線分布比較稀疏，部分磁力線沒有與軛部交鏈。由于體積大，質量大，鐵耗也相對比較大，占定子總損耗的88.11%～88.9%。

隨著疊壓系數(shù)的增加，鐵芯內部各部位的磁通密度都在增加，但是齒尖和齒冠部位增長幅度較小，是因為磁通密度達到了M19_29G硅鋼片的飽和值。而齒身部位和軛部還未飽和，隨著疊壓系數(shù)增加，磁通密度增加較快，鐵耗增加也大部分是來自于定子軛部。

5 結論

以豐田公司的puis混合動力車型所使用的永磁同步電機為研究對象，研究疊片壓力對硅鋼片磁導率的影響。以及當制造工藝采用不同疊壓系數(shù)0.94、0.945、0.95、0.955、0.96時，電機內部磁通密度以及定子鐵芯各部位損耗情況。得出結論如下：

(1)外應力會改變硅鋼片的磁感性能，當硅鋼片受到拉應力時，在拉應力方向硅鋼片的磁導率會相應增大；受到壓應力時，硅鋼片磁導率在應力方向上會減小。

(2)隨著疊壓系數(shù)的增加，由于鐵芯有效面積增大，磁導增大，因此齒部和軛部磁通密度都有所增大，但是齒部磁通密度增長量隨著疊壓系數(shù)增加趨于平緩。

(3)鐵芯損耗密度最大的地方是齒冠和齒尖，但是由于齒尖和齒冠體積非常小，齒冠和齒尖雖損耗密度大，但是鐵耗較小。