摘 要：

由于低溫泵用高速電機工作在低溫環(huán)境中，探究低溫環(huán)境對構(gòu)件材料性能的影響、低溫條件對電機特性的作用機理以及形成統(tǒng)一的選材原則已經(jīng)成為該類電機亟待解決的問題。采用實驗法在常溫（25 ℃）和低溫（-196 ℃）條件下對不同系列的冷軋無取向硅鋼片的電磁性能進行了研究，分析了低溫環(huán)境與頻率對硅鋼片電磁性能的影響情況?；趯崪y數(shù)據(jù)并采用有限元法計算了電機定子鐵耗，得到了電機采用不同系列硅鋼片的定子鐵耗分布以及變化情況。為了探究低溫環(huán)境下采用不同系列硅鋼片時電機定子鐵耗變化幅度不同的原因，采用低溫沖擊法對硅鋼片的矯頑力進行測量，驗證了有限元計算所得規(guī)律的正確性。探明低溫條件對硅鋼片電磁性能的影響機理，提出低溫高速高頻電機鐵心材料的選材建議，為低溫工作環(huán)境下低溫電機鐵心材料選材提供理論借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：低溫高速永磁電機；硅鋼片；磁性測量；損耗特性；低溫沖擊

DOI：10.15938/j.emc.2024.09.009

中圖分類號：TM355

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）09-0095-11

收稿日期： 2023-09-19

基金項目：軍民融合專項（JMRH2018XM03）

作者簡介：董傳友（1980—），男，博士，副教授，研究方向為大型電機設計、電磁、流體、溫度等多物理場理論研究；

楊志飛（1995—），男，博士研究生，研究方向為極端環(huán)境永磁電機的設計與關(guān)鍵材料電磁性能分析；

戈寶軍（1960—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為大型機電能量轉(zhuǎn)換裝置的基礎理論與運行；

王 越（1990—），男，博士研究生，研究方向為永磁電機設計及多物理場研究；

李廣林（1984—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電工鋼材料及其應用技術(shù)。

通信作者：楊志飛

Research on mechanism of electromagnetic performance changes in silicon steel core of low temperature high speed permanent magnet motors

DONG Chuanyou1， YANG Zhifei1， GE Baojun1， WANG Yue1， LI Guanglin2

（1.School of Electrical and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China；

2.Shougang Zhixin Electromagnetic Materials Research and Development （Beijing） Co.， Ltd.， Qian’an 064404， China）

Abstract：

Due to the use of high-speed motors in low-temperature environments for low-temperature pumps， exploring the impact of low-temperature environments on component material properties， investigating the mechanism of low-temperature conditions on motor characteristics， and forming unified material selection principles have become urgent issues for this type of motor. Experimental methods were used to study the electromagnetic properties of different series of cold-rolled non oriented silicon steel sheets under normal temperature （25 ℃） and low temperature （-196 ℃） conditions， and the influence of low temperature environment and frequency on the electromagnetic properties of silicon steel sheets were analyzed. Based on measured data and using finite element method， the stator iron loss of the motor was calculated， and the distribution and variation of stator iron loss of the motor using different series of silicon steel sheets were obtained. In order to explore the reasons for the different changes in stator iron loss of motors when using different series of silicon steel sheets in low-temperature environments， the low-temperature impact method was used to measure the coercivity of silicon steel sheets， and correctness of the law obtained from finite element calculations was verified. The mechanism of the influence of low-temperature conditions on the electromagnetic properties of silicon steel sheets has been explored， and suggestions for the selection of low-temperature， high-speed， and high-frequency motor core materials have been proposed， providing theoretical reference and guidance for the selection of low-temperature motor core materials in low-temperature working environments.

Keywords：low temperature and high speed permanent magnet motor； silicon steel sheet； magnetic properties measurement； loss characteristics； low temperature impact

0 引 言

低溫高速電機是低溫潛液泵的核心部件［1］。低溫電機主要分為異步電機和永磁同步電機，由于異步電機的功率因數(shù)較低，運行效率不高，近年來永磁同步電機具備清潔、高效的顯著優(yōu)勢，成為了低溫電機的研究發(fā)展趨勢。低溫電機工作在深冷環(huán)境中，電機鐵心材料在低溫環(huán)境下的性能勢必會發(fā)生改變，從而影響電機的運行效率。由于高速永磁電機的頻率與轉(zhuǎn)速較高，電機鐵心損耗較大，鐵心材料在低溫環(huán)境下性能的變化導致?lián)p耗受到的影響也會更加顯著，且目前低溫電機尚未形成統(tǒng)一的選材原則。因此，明確鐵心材料在低溫環(huán)境中的電磁性能及其變化規(guī)律，對低溫電機的材料選擇和優(yōu)化設計具有重要意義［2-3］。

在關(guān)于電機材料低溫性能及低溫電機研究方面，國內(nèi)外學者做了大量有價值的研究工作。文獻［2］分析了低溫沖擊前后永磁體的磁性能變化，結(jié)果表明永磁體的磁性略有惡化。文獻［3-4］根據(jù)銅和鋁在不同溫度下的電阻率數(shù)據(jù)，給出電阻關(guān)于溫度的擬合函數(shù)，研究了永磁體剩磁隨溫度的變化關(guān)系。文獻［5-6］測量了釹鐵硼和釤鈷的低溫性能，結(jié)果顯示釹鐵硼在液氮中浸泡后剩磁測量結(jié)果呈現(xiàn)無規(guī)律變化，而釤鈷在低溫環(huán)境下的剩磁比室溫時略高。得到了釤鈷永磁體更適用于低溫電機的結(jié)論。文獻［7］對國內(nèi)外學者關(guān)于低溫電機導磁材料、導體材料、絕緣及永磁材料的低溫特性研究結(jié)果進行了調(diào)研與總結(jié)。文獻［8-10］測量了在低溫環(huán)境下的不同牌號硅鋼片的磁性能，發(fā)現(xiàn)部分硅鋼片的低溫損耗較常溫環(huán)境差別不大，另一部分硅鋼片的低溫損耗略高于常溫損耗。文獻［11］研究了兩種硅鋼片分別在低溫和常溫下磁化曲線的情況，給出了硅鋼片磁滯損耗的計算結(jié)果，最終在兩種硅鋼片中給出了選材參考。文獻［12］分別對硅鋼片和兩種不同牌號的非晶合金進行了測試和比較，采用沖擊檢流法測量鐵心材料的基本磁化曲線，采用共地三電壓法測量各式樣在工頻下的鐵損和激磁功率，結(jié)果表明硅鋼片與非晶合金的飽和磁感應強度與損耗較常溫時略有增加。文獻［13］為了研究壓應力對電機鐵心材料的影響，研制了一種新型的磁性能測量系統(tǒng)，在材料上施加壓應力的同時測量其磁性能，分析應力與磁性能之間的相關(guān)性，并通過有限元分析驗證了該測量系統(tǒng)的準確性。文獻［14］測量和分析了鐵氧體、納米晶和非晶合金3種磁性材料的磁性能和損耗特性，給出了這3種材料的適用場景的參考建議。文獻［15］針對高頻范圍內(nèi)測量時樣品溫度上升對測量結(jié)果的影響進行了研究，分析發(fā)現(xiàn)溫升與測試時間、勵磁信號強度和頻率呈正相關(guān)。

分析以上文獻發(fā)現(xiàn)，很多學者及工程師主要關(guān)注電機鐵心材料的電磁性能，對于不同溫度環(huán)境下鐵心材料的電磁性能進行了測試。高速電機的鐵心材料通常采用的是硅鋼片，由于在低溫電機中硅鋼片的選用尚未形成統(tǒng)一的原則，硅鋼片電磁性能受溫度及頻率的變化機理需要明確，因此有必要對低溫環(huán)境下硅鋼片電磁性能變化的原因進行研究。

本文為了探明低溫環(huán)境對硅鋼片電磁性能的影響機理，以及低溫環(huán)境下不同系列硅鋼片對電機定子鐵耗的影響。首先建立低溫高速永磁電機的二維模型，鐵心材料選用4種不同系列的硅鋼片。采用SY-8258 B-H測量儀，對4種硅鋼片在常溫和低溫下的電磁性能進行測量，研究其在不同頻率以及不同溫度時基本磁化曲線與損耗曲線的變化，基于實測數(shù)據(jù)對電機定子鐵耗進行有限元計算。進一步地分析低溫沖擊過程中硅鋼片矯頑力的變化規(guī)律，探究采用不同材料電機定子各部分損耗變化幅度不同的原因，總結(jié)硅鋼片性能變化機理。提出低溫高速高頻電機鐵心材料的選材原則，從而為低溫高速永磁電機的設計優(yōu)化工作提供理論依據(jù)與參考。

1 高速永磁電機模型的建立

1.1 物理模型與基本假設

本文以一臺額定轉(zhuǎn)速為35 000 r/min的低溫高速永磁電機為例，建立高速永磁電機的二維有限元模型如圖1所示。電機參數(shù)如表1所示。根據(jù)文獻［5］的結(jié)論，該電機采用釤鈷材料作為永磁體［16］。

為了計算方便，分析時作如下基本假設：

1）忽略電機外部磁場所占分量，假設定子外圓理想磁絕緣；

2）忽略交變磁場在導電材料中的渦流反應；

3）不計除硅鋼片外其他電機材料低溫下電磁性能的改變；

4）不計位移電流的影響，電機內(nèi)的電磁場按照似穩(wěn)場計算。

1.2 定子鐵耗計算模型

為了準確計算電機鐵耗，國內(nèi)外學者已經(jīng)做了大量有價值的研究，提出了多種鐵耗計算的數(shù)學模型。目前應用較廣的是Bertotti鐵耗分離模型［17］為

PFe=Ph+Pc+Pe=khfBxm+kcf2B2m+kef1.5B1.5m。（1）

式中：PFe為鐵心損耗；Ph為磁滯損耗；Pc為渦流損耗；Pe為附加損耗；Bm為鐵心磁通密度幅值；f為頻率；kh、x為磁滯損耗系數(shù)；kc為渦流損耗系數(shù)；ke為附加損耗系數(shù)。

其中損耗系數(shù)kh、x、kc和ke可由鐵心材料的損耗曲線擬合得出。受集膚效應以及磁路飽和等因素的影響，且上述鐵耗分離模型假定磁場一維交變，然而電機在實際運行中部分區(qū)域中的磁密為二維甚至三維旋轉(zhuǎn)磁化［18］。因此，可將一個電周期內(nèi)的磁密各方向分量Bx、By、Bz分解為各次諧波，計算一個單元的損耗，再累加各剖分單元的損耗，基于此計算方法可以考慮到旋轉(zhuǎn)磁化的影響，得到更加精確的電機定子鐵耗，即：

Ph=∑mj=1∑∞v=1［kh（B2xv+B2yv+B2zv）x2fv］Vj；（2）

Pc=∑mj=1kc（B2xm+B2ym+B2zm）f2Vj。（3）

式中Bxm、Bym、Bzm為磁密各分量在一個周期內(nèi)的最大值。

式（2）與式（3）為計及磁密旋轉(zhuǎn)磁化情況下的磁滯損耗與渦流損耗的計算公式，由于集膚效應對附加損耗分量的影響較?。?9-20］，因此本文的電機定子鐵耗按照下式進行計算：

PFe=Ph+Pc+Pe=

∑mj=1∑∞v=1［kh（B2xv+B2yv+B2zv）x2fv］Vj+

∑mj=1kc（B2xm+B2ym+B2zm）f2Vj+kef1.5B1.5m。（4）

2 硅鋼片電磁性能的測量

2.1 測量條件與測試原理

由于硅鋼片的導磁性能良好，因此常被用作電機鐵心材料。熱軋硅鋼片的表面質(zhì)量及精度與冷軋硅鋼片相比差距較大［21-22］，因此本文主要研究冷軋硅鋼片的電磁性能。

考慮到實驗的安全性，本文的低溫試驗將在液氮（-196 ℃）中進行。本實根據(jù)國家標準《GB/T 3658—2008軟磁材料交流磁性能環(huán)形試樣的測量方法》的樣品規(guī)格要求和操作流程，采用中頻薄帶系列樣品1（0.15 mm）、去應力退火系列樣品2（0.2 mm）、高效系列樣品3（0.3 mm）以及50W310四種不同系列的冷軋硅鋼片作為被測試樣。使用日本巖崎Iwatsu SY-8258測量儀進行測試，分別在常溫環(huán)境條件（25 ℃）和低溫環(huán)境條件（-196 ℃）下，測量各試樣的磁化曲線和損耗特性曲線。實驗裝置如圖2所示。

圖2（a）為本實驗構(gòu)建的低溫環(huán)境，即將測試樣件完全浸泡在液氮罐中；（c）圖為樣品的繞線情況，初級線圈與次級線圈的繞線匝數(shù)均為30匝，其中藍色銅線連接（b）圖測試盒中的初級線圈端口，綠色銅線連接次級線圈端口。

磁場強度、磁密以及損耗的測量原理［14］為：

H（t）=N1LeI1（t）；（5）

B（t）=1N2Ae∫V2（t）dt；（6）

P=N1N21T∫T0I1（t）V2（t）dt；（7）

Pm=Pm。（8）

式中：N1為初級線圈匝數(shù)；N2為次級線圈匝數(shù)；Le為有效磁路長度；Ae為有效截面積；I1（t）為通入初級線圈的電流；V2（t）為次級線圈的電壓；T為勵磁電流的周期；m為測試樣件的質(zhì)量。

SY-8258磁滯回線測量儀的測試精度如表2所示。其中，追加誤差是指勵磁電流或感應電壓的振幅比檢測量程小的情況下追加計算的誤差。

損耗的測試精度為

G=±［y+z+（x×π/180）×tanθ×100］。（9）

其中：y為勵磁電流誤差，A；z為感應電壓誤差，V；x為相位角誤差，（°）；θ為樣品的相位角，（°）。

表3為本文研究的4種硅鋼片的尺寸參數(shù)，樣品1為中頻薄帶系列產(chǎn)品，其特點是在高頻下電磁性能優(yōu)異，樣品2為去應力退火系列，其特點是退火后鐵損低、磁感高，加工性能良好，樣品3為高效系列產(chǎn)品，其特點是比對應的常規(guī)牌號的鐵損低，磁感高，50W310為太鋼生產(chǎn)的普通硅鋼片。

由于樣品1～樣品3在牌號方面涉及保密要求，且本文的目的是探究低溫環(huán)境下硅鋼片電磁性能的變化機理，從而為低溫電機的材料選擇和優(yōu)化設計提供參考，并不僅局限于文中這4種硅鋼片進行研究與分析。出于以上考慮，樣品1～樣品3的詳細牌號信息沒有在文中表明。

2.2 誤差分析

基本磁化曲線的測定需要選擇不同的磁場強度對鐵磁材料進行反復磁化，進行一次測量的時間約為5 s左右，當一次測量結(jié)束后立即更改激勵條件或者頻率，進行下一次測量，即對樣品進行快速連續(xù)且施加較大勵磁條件的測量時，樣品表面溫度會顯著升高，達到40～50 ℃左右，如圖3所示。

為了研究這種現(xiàn)象是否會導致誤差的出現(xiàn)從而影響測量結(jié)果的準確性，針對本文所研究的材料分別采用了連續(xù)測量和間斷測量2種方法在常溫環(huán)境下進行測試，測試結(jié)果如圖4所示。圖中縱坐標的數(shù)值為磁密幅值Bm、剩磁Br、矯頑力Hc、損耗Pm的數(shù)值大小，間斷測量的間斷時間是以保證每一次測量時樣品的溫度都恢復至常溫即可。

從圖4可以看出，以樣品1為例，在1 300 A/m的勵磁條件下，頻率分別在50、500、1 000 Hz時，連續(xù)測量和間斷測量的結(jié)果差異很小。對其他測試樣件進行了相同條件的測試，測試結(jié)果與圖4一致。由此可知，在本文后續(xù)的硅鋼片性能測試實驗條件下，連續(xù)測量不會產(chǎn)生明顯的誤差，無需等待樣品冷卻。

2.3 硅鋼片的磁化曲線測量

硅鋼片分別在常溫和低溫環(huán)境下的基本磁化曲線如圖5所示。將樣件在液氮中完全浸泡1小時后開始測量，且測量過程中樣件始終浸泡在液氮中。

從圖5可以看出，在不同頻率、相同溫度條件下，0.6～1 kHz范圍內(nèi)頻率的改變對硅鋼片的磁化曲線影響很小。為了探究低溫環(huán)境對硅鋼片磁化曲線的影響，對比相同頻率、不同溫度下4種材料的基本磁化曲線可以看出，4種硅鋼片的低溫飽和磁密均大于常溫飽和磁密。其中，50W310硅鋼片的低溫飽和磁密的增加量相對于另外3種硅鋼片都要高，但是其所需要施加的磁場強度是另外3種硅鋼片的兩倍。以上4種系列硅鋼片的磁性能在低溫下均優(yōu)于常溫狀態(tài)，這是由于在低溫條件下，硅鋼片的磁阻降低，因此其導磁性能上升。

2.4 硅鋼片的損耗曲線測量

為了探究低溫環(huán)境對于硅鋼片損耗的影響，對比不同溫度、頻率相同時各材料的損耗情況。同樣將樣件在液氮中完全浸泡1小時后開始測量，且測量過程中樣件始終浸泡在液氮中。各樣件在不同溫度以及不同頻率時的損耗曲線如圖6所示。

通過圖6可知，4種硅鋼片在相同溫度環(huán)境下，頻率越高，損耗越大；在相同頻率下，隨著溫度的降低，損耗逐漸增大。通過比較各材料不同頻率下的常溫損耗和低溫損耗的情況可以看出，頻率越高時，溫度的變化對損耗的影響越明顯，高頻低溫條件下?lián)p耗的增加幅度越來越大。

由于在低溫環(huán)境下，隨著溫度的降低，硅鋼片的電阻率降低，導致了渦流損耗增大；矯頑力增大，導致了磁滯損耗增大，因此硅鋼片鐵心損耗增加，而高頻條件會使這一影響更加明顯。

為了比較4種硅鋼片在相同條件下的性能，低溫永磁電機通常轉(zhuǎn)速較高，在極數(shù)較小的同時頻率較大，因此對比了4種硅鋼片在頻率為1 kHz時的磁化曲線和損耗曲線，結(jié)果如圖7、圖8所示。從圖7可以看到，4種材料在低溫下的磁密幅值均比常溫時要大，樣品1、樣品2、樣品3、50W310的低溫磁密幅值分別比常溫增大了0.031、0.057、0.069、0.115 T。雖然50W310的低溫磁密增加幅度最大，但其達到磁飽和所需要的磁場強度太大，達到磁飽和的速度最慢。樣品3達到磁密飽和的速度最快。

從圖8可以看出，相比于其他3種材料，50W310的損耗最大。磁密在1 T之前，樣品1的損耗最低，在1 T之后，樣品3的損耗最低。樣品3的損耗隨磁密增加的幅度相較于樣品1與樣品2要小，磁密在1.5 T時，樣品3的低溫損耗最小。

結(jié)合圖7與圖8可知，在相同溫度、頻率的條件下，樣品3的導磁性能最優(yōu)。當磁密在1.5 T以上時，無論是常溫還是低溫環(huán)境，樣品3的損耗最小。

3 定子鐵耗有限元分析

基于上文測量得到的硅鋼片分別在常溫以及低溫環(huán)境下的磁化曲線與損耗曲線，將其導入到電機物理模型中，采用有限元法對電機定子鐵耗進行仿真計算，計算結(jié)果如表4所示。

從表4中可以看出，采用本文所研究的4種不同類型的硅鋼片作為鐵心材料的電機，其定子鐵耗在低溫環(huán)境下均有所增加，增加的幅度大小如表5所示。根據(jù)表5可知，采用高效系列硅鋼片的樣品3作為鐵心材料的電機定子鐵耗增加幅度最小，采用50W310的電機定子鐵耗增加幅度最大。

為了避免高速永磁電機損耗過大導致溫升過高，從本文的研究結(jié)果來看，將高效系列硅鋼片作為電機鐵心材料為較優(yōu)選擇。

但不同系列的硅鋼片應用在低溫環(huán)境下時，其鐵耗增加幅度大小各不相同。因此，并探究產(chǎn)生該結(jié)果的原因和機理，并對低溫電機的鐵心材料選材提供參考和借鑒，對于該結(jié)果需要進行進一步地探討和分析。

4 實驗數(shù)據(jù)分析與驗證

4.1 低溫沖擊過程硅鋼片矯頑力與損耗的變化

為了探究材料在低溫條件下硅鋼片損耗變化幅度不同的原因，在4種硅鋼片均進入磁飽和狀態(tài)下，研究了在低溫沖擊過程中硅鋼片矯頑力的變化情況。本文提出一種新型的低溫沖擊過程的實驗方法，選取了幾個關(guān)鍵時間點與時間段進行了測量，關(guān)鍵時間點是根據(jù)材料溫度變化的一瞬間進行選取的，如圖9所示。關(guān)鍵時間點為：測試樣件被全部浸泡在液氮前（t1）、測試樣件剛剛完全浸泡在液氮中的一瞬間（t2）、測試樣件脫離液氮環(huán)境一瞬間（t3）。關(guān)鍵時間段為：測試樣件在液氮中持續(xù)浸泡（t2～t3）、測試樣件脫離液氮后靜置逐漸恢復常溫（t3之后）。

由于將樣品從液氮中拿出后其溫度恢復的速度較快，所以2個時間段的測量次數(shù)與時間不同。在t2～t3時間段中，每隔5分鐘測量一次，一共測量10組數(shù)據(jù)；t3之后每隔3分鐘測量一次，一共測量5組數(shù)據(jù)。測量結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出，4種材料在放入液氮的一瞬間（t2）矯頑力突然增大。在液氮中持續(xù)浸泡過程中，矯頑力未發(fā)生明顯的變化。從液氮中拿出的一瞬間（t3），矯頑力突然降低，并且隨著時間逐漸回復到進入液氮之前的情況。

對比不同頻率下硅鋼片矯頑力的變化情況能夠看出，頻率越高，硅鋼片受到低溫沖擊的影響越明顯，變化幅度越大，變化率也越大。由此可以看出，4種硅鋼片矯頑力對溫度及頻率的變化較為敏感。

在1 kHz頻率下，硅鋼片的損耗和矯頑力的變化情況如表6所示。從表6中可以看出，50W310從t1至t2時刻的矯頑力變化幅度最大，因此其在低溫環(huán)境下的損耗增加情況最明顯。

觀察表6的樣品1縱列可以看到，樣品1的矯頑力增加幅度最小，但其損耗增加幅度卻并不是最小的，這是因為樣品1的磁滯損耗增加幅度相對較小，而其渦流損耗增加幅度較大。

將表5與表6進行對比可以看出，雖然樣品3的低溫損耗增加幅度最小，但當電機采用樣品3作為鐵心材料時，其低溫磁滯損耗增加幅度并不是最小的；當采用樣品1作為鐵心材料時，低溫磁滯損耗增加幅度最小，而電機定子鐵耗的增加幅度卻比樣品3要大。根據(jù)表6可知，這是由于樣品1在低溫環(huán)境下矯頑力增加幅度最小，所以由矯頑力影響的磁滯損耗增幅也就最小。由此能夠看出，低溫沖擊實驗結(jié)果驗證了有限元計算所得規(guī)律的合理性。

影響硅鋼片損耗體現(xiàn)在矯頑力與電導率的變化上。硅鋼片的損耗主要可分為磁滯損耗、渦流損耗與附加損耗，其中磁滯損耗與渦流損耗的占比較大。磁滯損耗是硅鋼片在磁化過程中磁疇的運動引起的損耗，在磁化過程中一部分電磁能量會轉(zhuǎn)換成熱能表現(xiàn)出來；渦流損耗是由于硅鋼片為導電材料，在磁化過程中硅鋼片內(nèi)存在電流和感應電勢，稱為渦流，渦流損耗同樣會轉(zhuǎn)化為熱能的形式表現(xiàn)出來，因此在2.2節(jié)誤差分析中發(fā)現(xiàn)，測量過程中測試樣件表面的溫度會升高。

結(jié)合上文硅鋼片基本磁化曲線的測量結(jié)果可知，硅鋼片在低溫環(huán)境下的磁密增大，因此在去磁過程中，所需要施加的反向磁場強度也就越大，即表現(xiàn)為矯頑力增大，因此硅鋼片的磁滯損耗增加；同時，隨著溫度的降低，硅鋼片的電阻率降低，電導率增大，從而導致渦流損耗增大，因此在低溫環(huán)境下硅鋼片的鐵心損耗增加。

4.2 低溫沖擊前后硅鋼片磁化曲線與損耗曲線研究

為了進一步研究硅鋼片在液氮中長時間浸泡后再取出恢復至常溫時，其磁化曲線與損耗曲線是否發(fā)生了不可逆改變，將在液氮中浸泡2小時后的測試樣件取出并在常溫環(huán)境下靜置24小時，再次測量其磁化曲線與損耗曲線，與未浸泡之前的常溫磁化曲線與損耗曲線作對比，如圖11所示。

從圖11可以看出，以樣品2為例，其在液氮浸泡前和浸泡后的磁化曲線和損耗曲線基本一致，其性能未發(fā)生不可逆的變化。對其余材料進行了同樣的測試和對比，結(jié)果均為未發(fā)生不可逆改變。由此可知，對同一個測試樣件進行低溫試驗時，從低溫環(huán)境中取出，該樣件的性能沒有發(fā)生不可逆變化，可以對該樣件進行其他試驗，該結(jié)果驗證了本文低溫實驗方法的合理性。

5 硅鋼片低溫電磁性能變化機理

由上文可知，硅鋼片在低溫條件下的飽和磁密增加，低溫磁性能均優(yōu)于常溫磁性能。這是由于在低溫條件下，硅鋼片的磁阻降低，磁導率增大，因此其導磁性能上升。硅鋼片在1 kHz頻率下相對磁導率隨溫度的變化情況如圖12所示。

從圖12中可以看出，硅鋼片的在低溫環(huán)境下的相對磁導率增大，其中，所測量的硅鋼片磁導率為線性磁導率。

比較硅鋼片分別在常溫和低溫條件下的損耗可以看出，頻率越高時，溫度的變化對損耗的影響越明顯，高頻低溫條件下?lián)p耗的增加幅度越來越大。這是由于在低溫環(huán)境下，隨著溫度的降低，硅鋼片的電阻率降低，導致了渦流損耗增大；矯頑力增大，導致了磁滯損耗增大，因此硅鋼片鐵心損耗增加，而高頻條件會使該影響更加顯著。

磁滯損耗正比于交變磁場的頻率f、磁滯回線的面積和鐵磁材料的體積V，磁滯回線的面積正比于飽和磁密Bm的n次方，n為施泰因梅茨系數(shù)，n的值取決于材料，對于一般硅鋼片，n取1.6～2.3。磁滯損耗可表示為

ph=ChfBnmV。（10）

式中Ch為取決于材料性質(zhì)的常數(shù)。

當磁滯損耗系數(shù)Ch、頻率f、體積V一定時，低溫條件下硅鋼片飽和磁密Bm的增加，導致了材料在去磁過程中，所需要施加的反向磁場強度也就越大，即矯頑力增大，鐵磁材料的磁滯回線與坐標軸所圍成的面積增大，所以磁滯損耗增加。

渦流在鐵心中所引起的電阻損耗稱為渦流損耗pe，可表示為

pe=CeΔ2f2B2mV。（11）

式中：Ce為渦流損耗系數(shù)，反比與材料的電阻率；Δ為硅鋼片厚度。

當硅鋼片厚度Δ、頻率f、體積V一定時，隨著溫度的降低，材料的電阻率降低，渦流損耗系數(shù)Ce增大，且飽和磁密Bm增加，因此渦流損耗增大。

6 結(jié) 論

本文采用一臺B-H測量儀測量得到了硅鋼片的磁化曲線和損耗特性，采用有限元法計算了電機定子鐵耗，通過實驗分析并探究了不同頻率、溫度下測試樣品的電磁特性變化規(guī)律，揭示了硅鋼片在低溫條件下的電磁性能變化機理，主要結(jié)論如下：

1）高速永磁電機的定子鐵耗在低溫環(huán)境下增加，由于中頻薄帶硅鋼片的低溫矯頑力增幅最小，因此其磁滯損耗增幅最??；采用高效系列硅鋼片作為鐵心材料時定子鐵耗增加幅度最小。

2）硅鋼片在低溫環(huán)境下的導磁性能變優(yōu)，但低溫損耗較常溫時均增大。這是由于在低溫條件下，硅鋼片的磁阻降低，磁導率增大，因此其導磁性能上升；硅鋼片的電阻率降低，導致了渦流損耗增大；硅鋼片的矯頑力增大，導致了磁滯損耗增大，因此硅鋼片鐵心損耗增加。高頻會使該影響更加顯著。

3）硅鋼片的矯頑力對溫度變化較為敏感，其低溫損耗增加幅度由矯頑力以及電導率決定。低溫沖擊前后硅鋼片的電磁性能均未發(fā)生不可逆改變。

4）由于低溫環(huán)境下硅鋼片的導磁性能增加，在結(jié)構(gòu)工藝設計方面可以對電機的尺寸參數(shù)進行進一步地優(yōu)化，如小型、輕量化設計。

基于以上結(jié)論，低溫高速電機鐵心材料為硅鋼片時，選材可按如下原則進行參考：應優(yōu)先選擇低矯頑力、低電導率的硅鋼片作為低溫電機鐵心材料。

參 考 文 獻：

［1］ 艾程柳， 黃元峰， 王海峰， 等. 潛液式LNG泵低溫電機及其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述［J］. 中國電機工程學報， 2014， 34（15）： 2396.

AI Chengliu， HUANG Yuanfeng， WANG Haifeng， et al. Development of the cryogenic electrical motor for the submerged liquid natural gas pump and its key technologies［J］. Proceedings of the CSEE， 2014， 34（15）： 2396．

［2］ DLUGIEWICZ L， KOLOWROTKIEWICZ J， SZELAG W， et al. Permanent magnet synchronous motor to drive propellant pump［C］//International Symposium on Power Electronics， Electrical Drives， Automation and Motion， June 20-22， 2012， Sorrento， Italy. 2012： 822.

［3］ 艾程柳， 黃元峰， 王海峰， 等. 潛液式液化天然氣泵用變頻低溫異步電機的關(guān)鍵參數(shù)設計［J］. 中國電機工程學報， 2015， 35（20）： 5317.

AI Chengliu， HUANG Yuanfeng， WANG Haifeng， et al. Important parameters design of inverter-driven cryogenic induction motor for submerged liquid natural gas pump［J］. Proceedings of the CSEE， 2015， 35（20）： 5317.

［4］ 戈寶軍， 劉海濤， 王立坤， 等. LNG泵用低溫高速永磁電機三維電磁場與渦流損耗的分析計算［J］. 中國電機工程學報， 2020， 40（2）： 634.

GE Baojun， LIU Haitao， WANG Likun， et al. Analysis and calculation of three-dimensional electromagnetic field and eddy current loss of cryogenic high-speed permanent magnet motor applied for LNG pump［J］. Proceedings of the CSEE， 2020， 40（2）：634.

［5］ ZHENG L， WU T X， ACHARYA D， et al. Design of a superhigh-speed cryogenic permanent magnet synchronous motor［J］. IEEE Transactions on Magnetics， 2005， 41（10）： 3823.

［6］ GUO C， HUANG S， WANG J， et al. Research of cryogenic permanent magnet synchronous motor for submerged liquefied natural gas pump［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2018， 33（4）： 2030.

［7］ 涂進， 艾程柳， 廖勇熙. 潛液式液化天然氣泵用低溫電機材料特性綜述［J］. 微特電機， 2016， 44（1）： 87.

TU Jin， AI Chengliu， LIAO Yongxi. Summary for material properties of cryogenic induction motor for submerged liquid natural gas pump［J］. Small amp; Special Electrical Machines， 2016， 44（1）： 87.

［8］ PRONTO A G， NEVES M V， RODRIGUES A L. Measurement and separation of magnetic losses at room and cryogenic temperature for three types of steels used in HTS transformers［J］. Journal of Superconductivity and Novel Magnetism， 2011， 24（1）： 981.

［9］ MIYAGI D， OTOME D， NAKANO M， et al. Measurement of magnetic properties of nonoriented electrical steel sheet at liquid nitrogen temperature using single sheet tester［J］. IEEE Transactions on Magnetics， 2010， 46（2）： 314.

［10］ MIYAMOTO M， MATSUO T， NAKAMURA T. Measurement of vector hysteretic property of silicon steel sheets at liquid nitrogen temperature［J］. Przeglad Elektrotechniczny， 2011， 87（9）： 111.

［11］ BOGDANOV I， KOZUB S， SHCHERBAKOV P， et al." Study of electrical steel magnetic properties for fast cycling magnets of SIS100 and SIS300 rings［C］//Proceedings of EPAC 2004， July 5-9， 2004， Lucerne， Switzerland. 2004： 1741.

［12］ 陳敏， 丘明， 肖立業(yè)， 等. 鐵芯材料在低溫下的磁性能的研究［J］. 電工電能新技術(shù)， 2003， 22（1）： 35.

CHEN Min， QIU Ming， XIAO Liye， et al. Research on the magnetic properties of iron core materials at low temperatures［J］. Advanced Technology of Electrial Engineering and Energy， 2003， 22（1）： 35.

［13］ DING X， REN S， XIONG Y， et al. 2-D magnetic properties measurement system for electrical steel sheets considering laminated direction mechanical stress［J］. IEEE Transactions on Magnetics， 2017， 53（10）： 1.

［14］ YANG M， LI Y， YANG Q， et al. Magnetic properties measurement and analysis of high frequency core materials considering temperature effect［J］. IEEE Transactions on Applied Superconductivity， 2020，"" 30（4）： 1.

［15］ 陳霞萍， 車聲雷， 劉東， 等. 功耗測試過程中功率鐵氧體磁芯的溫升及其影響因素［J］. 磁性材料及器件， 2015， 46（3）： 21.

CHEN Xiaping， CHE Shenglei， LIU Dong， et al. Temperature rise and its influencing factors in the core loss measurement of power ferrites［J］. Journal of Magnetic Materials and Devices， 2015， 46（3）： 21.

［16］ 董傳友， 金鵬飛， 楊子豪， 等. 低溫高速永磁電機轉(zhuǎn)子屏蔽套的設計及強度分析［J］. 電機與控制學報， 2023， 27（7）： 111.

DONG Chuanyou， JIN Pengfei， YANG Zihao， et al. Design and strength analysis of rotor shielding sleeve of low temperature and high speed permanent magnet motor［J］. Electric Machines and Control， 2023， 27（7）： 111.

［17］ BERTOTTI G. General properties of power losses in soft ferromagnetic materials［J］. IEEE Transactions on Magnetics， 1988， 24（1）： 621.

［18］ ZHANG F， DU G， WANG T， et al. Electromagnetic design and loss calculations of a 1.12 MW high-speed permanent-magnet motor for compressor applications［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2016， 31（1）： 132.

［19］ ZHAO H， RAGUSA C， BARRIERE O， et al. Magnetic loss versus frequency in non-oriented steel sheets and its predicition： minor loops， PWM， and the limits of the analytical approach［J］. IEEE Transactions on Magnetics， 2017， 53（11）： 1.

［20］ 孫鶴， 李永建， 劉歡， 等. 非正弦激勵下納米晶鐵心損耗的計算方法與實驗驗證［J］. 電工技術(shù)學報， 2022， 37（4）： 827.

SUN He， LI Yongjian， LIU Huan， et al. The calculation method of nanocrystalline core loss under non-sinusoidal excitation and experimental verification［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2022， 37（4）： 827.

［21］ 程耀楠， 張先鵬， 張廣鑫， 等. 高速電主軸冷卻技術(shù)研究及應用探討［J］. 哈爾濱理工大學學報， 2022， 27（3）：1.

CHENG Yaonan， ZHANG Xianpeng， ZHANG Guangxin， et al. Study and application of cooling technology for high speed motorized spindle［J］. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2022， 27（3）： 1.

［22］ 孫宇亮， 王九崇， 朱浩銘， 等. 有取向硅鋼片開關(guān)磁阻電機研究［J］. 大電機技術(shù)， 2024（3）： 57.

SUN Yuliang， WANG Jiuchong， ZHU Haoming， et al. Application of oriented silicon steel sheet in switched reluctance motor［J］. Large Electric Machine and Hydraulic Turbine， 2024（3）： 57.

（編輯：劉琳琳）