電動(dòng)汽車電機(jī)用硅鋼材料的應(yīng)用研究進(jìn)展

石文敏，劉 靜，曹海東，馮大軍

(1．武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2．上海大學(xué)，上海，200072；3.國(guó)家硅鋼工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢，430080)

電動(dòng)汽車已逐漸成為世界汽車工業(yè)的主要發(fā)展方向，大多數(shù)的歐洲國(guó)家和中國(guó)汽車生產(chǎn)廠家開(kāi)始加快純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的研制步伐。電工鋼板是電動(dòng)/混合動(dòng)力型汽車(HEV)和電動(dòng)汽車(EV)驅(qū)動(dòng)電機(jī)鐵芯的專用材料，它的性能和質(zhì)量的好壞直接影響著汽車的性能[1]。

相比一般標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)用無(wú)取向電工鋼，電動(dòng)汽車牽引電機(jī)用無(wú)取向電工鋼的性能要求更高。由于電機(jī)需要更高的轉(zhuǎn)速，為提高高轉(zhuǎn)速下的效率，對(duì)硅鋼片高頻下的鐵損要求更高；為提高電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，減小電機(jī)體積，對(duì)硅鋼片高頻下的磁感應(yīng)強(qiáng)度要求也更高。在電機(jī)生產(chǎn)的不同階段，硅鋼疊片都會(huì)受到應(yīng)力的作用，應(yīng)力會(huì)影響硅鋼片的磁性能。電機(jī)所受應(yīng)力主要來(lái)自于硅鋼片的沖片和疊片鐵芯的緊固、熱套及壓力裝配成型等一系列加工和緊固操作過(guò)程。另外，電驅(qū)動(dòng)電機(jī)特別是永磁同步電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生的熱量使電機(jī)處于高溫運(yùn)行環(huán)境中，其工作磁場(chǎng)往往是帶諧波的非正弦磁場(chǎng)，而硅鋼片標(biāo)準(zhǔn)磁性測(cè)試的外界環(huán)境為常溫，外加磁場(chǎng)為嚴(yán)格的正弦磁場(chǎng)。因此，考慮到電機(jī)加工過(guò)程和實(shí)際運(yùn)行環(huán)境對(duì)硅鋼片性能的影響，有必要對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行綜合研究。本文對(duì)車用電機(jī)用無(wú)取向電工鋼的應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，主要包括鐵芯加工裝配工藝對(duì)硅鋼片磁性能的影響，以及電機(jī)運(yùn)行環(huán)境包括溫度和諧波對(duì)硅鋼片性能的影響，并就這些方面國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹與分析，針對(duì)不同的影響因素提出優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)的方法。

1 加工方式對(duì)電機(jī)鐵芯用硅鋼材料性能的影響

電機(jī)鐵芯生產(chǎn)的主要工序如圖1所示[2]。電工鋼板一般是采用沖壓模具進(jìn)行高速連續(xù)沖壓制成電機(jī)所需的形狀，然后用鉚接的方法將大量的電工鋼片固定，再用螺栓緊固。有的鐵芯鉚接固定后為了提高其磁性能會(huì)進(jìn)行消除應(yīng)力退火，并在插入線圈繞組后進(jìn)行熱壓裝配，將其固定到機(jī)殼內(nèi)。生產(chǎn)步驟中各流程對(duì)材料性能的影響程度如表1[3]所示。由表1中可以看出，沖片/剪切對(duì)硅鋼片的性能影響最大，尤其是電機(jī)工作在0.5～1.5 T的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)時(shí)；而鉚接/自動(dòng)疊片和熱套裝配工藝也會(huì)對(duì)硅鋼片的性能產(chǎn)生一定影響。

圖1 電機(jī)鐵芯制造的主要工序Fig.1 Main production processes of the motor iron core

一系列的加工和緊固操作將應(yīng)變引入到電工鋼板材料之中。因此，一般情況下，電機(jī)的鐵損會(huì)大于根據(jù)愛(ài)潑斯坦實(shí)驗(yàn)測(cè)出的材料鐵損。也就是說(shuō)，在電機(jī)設(shè)計(jì)和制造工藝中必須考慮并盡量減小裝配因素對(duì)鐵損的影響，以進(jìn)一步提高電機(jī)的性能。

表1生產(chǎn)各流程對(duì)電機(jī)鐵芯材料性能的影響程度

Table1Effectoftheproductionprocessonthepropertiesoftheironcorematerial

生產(chǎn)步驟工作范圍<0.5 T0.5～1.5 T>1.5 T沖片/剪切+++++/0自動(dòng)疊片,鉚接0/++/+++/0熱套裝配0/++/+++/0

注：0表示無(wú)影響；+表示影響小；++表示影響一般；+++表示影響較大。

1.1 沖片應(yīng)變的影響

因?yàn)殡姽や摪宥家?jīng)沖片制成電機(jī)鐵芯，所以了解沖片引起的材料性能的變化是十分重要的。呂平等[4]認(rèn)為硅鋼片在沖剪時(shí)產(chǎn)生沖切應(yīng)力使沖片局部發(fā)生塑性變形,沿剪切線約0.5～1 mm寬度的邊緣出現(xiàn)晶粒歪曲、晶格畸變、磁疇被破壞等,從而使硅鋼片導(dǎo)磁性能惡化, 鐵損增加, 并稱這種現(xiàn)象為“沖剪邊緣效應(yīng)”。圖2給出了不同應(yīng)力影響區(qū)域材料在400 Hz下的鐵損曲線和磁化曲線，圖中不同符號(hào)對(duì)應(yīng)的百分比數(shù)值表示應(yīng)力影響區(qū)寬度占整個(gè)材料寬度的比率。在沖片狀態(tài)下，當(dāng)沖片寬度變窄時(shí)，隨著應(yīng)力影響區(qū)域的擴(kuò)大，鐵損P逐漸增加，而磁感應(yīng)強(qiáng)度B逐漸下降。沖剪應(yīng)力對(duì)低端磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響較大，而對(duì)飽和狀態(tài)的磁感應(yīng)強(qiáng)度影響不大。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因主要是沖片時(shí)在電工鋼板內(nèi)產(chǎn)生了局部塑性變形和由塑性變形引起的彈性應(yīng)力[5]。黃力明等[6]認(rèn)為冷軋硅鋼片在沖剪加工時(shí)，其邊緣產(chǎn)生的塑性變形范圍是相對(duì)固定的，也就是說(shuō)，其邊緣影響即沖剪應(yīng)力并不隨沖剪寬度的變化而產(chǎn)生明顯變化，沖剪應(yīng)力將在相對(duì)固定的范圍內(nèi)產(chǎn)生，故對(duì)沖剪寬度大的冷軋硅鋼片，邊緣影響相對(duì)要小，而對(duì)寬度窄的冷軋硅鋼片，邊緣影響相對(duì)要大。

Vandenbossche等[7]對(duì)不同剪切寬度的M235-35A牌號(hào)無(wú)取向硅鋼材料的磁性能進(jìn)行分析，并運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)力影響區(qū)內(nèi)磁導(dǎo)率的分布進(jìn)行了計(jì)算，認(rèn)為越靠近邊緣部位，磁導(dǎo)率惡化越明顯，而且外加磁場(chǎng)越低，磁導(dǎo)率惡化也越明顯。而沖剪導(dǎo)致硅鋼鐵損的惡化主要有兩個(gè)原因：①直接增加沖剪邊緣的磁滯損耗從而導(dǎo)致總鐵損的增加；②由于邊部磁導(dǎo)率下降導(dǎo)致磁極化強(qiáng)度下降，為了獲得原有的磁極化強(qiáng)度，就需要提高鐵芯中的磁通量，間接改變了疊片內(nèi)部的磁化特征，導(dǎo)致鐵損增加。

(a)不同應(yīng)力影響區(qū)下材料的鐵損曲線

(b)不同應(yīng)力影響區(qū)下材料的磁化曲線

Fig.2Effectofstresszoneonthemagneticpropertiesofthematerials

對(duì)冷軋沖片采取合適的消除應(yīng)力退火措施可消除或削弱沖片的沖剪邊緣效應(yīng), 使沖片的高導(dǎo)磁性能得到恢復(fù)，由退火后硅鋼材料所制造電機(jī)的電壓電流關(guān)系試驗(yàn)曲線與原冷軋硅鋼片的磁化曲線相接近或吻合，這給電磁設(shè)計(jì)采用高磁密硅鋼材料提供了可靠的保證，能充分發(fā)揮冷軋硅鋼片磁性能的優(yōu)勢(shì)，使沖片沖剪邊緣0.5～1 mm得到充分有效的利用,為節(jié)約電磁材料和縮小電機(jī)主要尺寸創(chuàng)造了條件。黃力明等[6]的研究結(jié)果表明，30 mm寬度的50W600試樣剪切成不同寬度試樣再進(jìn)行拼接，經(jīng)過(guò)退火消除應(yīng)力后，鐵耗可降至原有水平甚至更低，如試樣寬度由30 mm變?yōu)? mm時(shí)，鐵耗P1.5/50由5.84 W/kg增至7.57 W/kg，相當(dāng)于降低了2個(gè)牌號(hào)；經(jīng)退火消除應(yīng)力后，3 mm試樣的鐵耗P1.5/50由7.57 W/kg降至4.97 W/kg，相當(dāng)于升高了3個(gè)牌號(hào)，鐵耗低于原有水平，同時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度也有較大的改善，接近于原有水平。這為開(kāi)發(fā)高效率電機(jī)提供了一個(gè)降低鐵耗的工藝措施。但在生產(chǎn)上應(yīng)用，還應(yīng)對(duì)退火設(shè)備、退火溫度、保護(hù)氣體、生產(chǎn)效率、成本等各個(gè)方面進(jìn)行研究。

呂平等[4]還從電機(jī)設(shè)計(jì)的角度提出為減輕冷軋硅鋼片的沖剪邊緣效應(yīng), 定轉(zhuǎn)子槽形(如凸形槽、平底槽、梨形槽的槽肩等) 若有尖角應(yīng)最大程度地采用圓角加以改善, 減少尖角處產(chǎn)生晶粒歪曲、晶格畸變和磁疇凌亂, 考慮沖剪邊緣效應(yīng)的特點(diǎn)和波及的范圍, 優(yōu)化槽形結(jié)構(gòu)可減輕冷軋沖片沖剪邊緣效應(yīng)的影響, 這是電機(jī)設(shè)計(jì)中很實(shí)用而且又簡(jiǎn)單易行的措施之一。

1.2 鉚接/扣片的影響

鐵芯定子和轉(zhuǎn)子在鉚接/扣片時(shí)，厚度方向的壓應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致鐵損的增加和磁感應(yīng)強(qiáng)度的降低(見(jiàn)圖3)。Miyagi等[8]研究了厚度方向壓應(yīng)力對(duì)無(wú)取向電工鋼磁性能的影響，發(fā)現(xiàn)在厚度方向的壓應(yīng)力下，軋向和橫向材料的磁導(dǎo)率都下降，試樣的磁各向異性降低。厚度方向施加壓應(yīng)力，橫向試樣的磁滯損耗增量很小，而軋向試樣的磁滯損耗上升較快。當(dāng)厚度方向的壓應(yīng)力增加時(shí)，軋向和橫向材料的渦流損耗在1.0T以上的高磁感點(diǎn)下都明顯增加，通過(guò)測(cè)試表明當(dāng)垂直壓力在10 MPa以下時(shí),材料的電阻率幾乎不受壓應(yīng)力的影響，因此可以認(rèn)為1.0 T以上渦流損耗隨厚度方向壓應(yīng)力的增加來(lái)自于額外損耗的增加。Kurosaki等[3]研究了不同鉚接點(diǎn)數(shù)對(duì)硅鋼環(huán)形試樣磁性能的影響，認(rèn)為6個(gè)鉚接點(diǎn)的材料鐵損高于3個(gè)鉚接點(diǎn)材料的鐵損，主要是由于渦流損耗的增加，而磁感應(yīng)強(qiáng)度相差不大，即厚度方向應(yīng)力越大，則材料鐵損越大，而對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度影響不大。如果由于壓應(yīng)力導(dǎo)致磁性能的變化程度已知，就可以提前判斷電機(jī)中磁性能的惡化情況[8-10]。

(a)鐵損曲線

(b)磁化曲線

Fig.3Effectofcompressivestressinthethicknessdirectiononmagneticpropertiesofthematerials

在電機(jī)設(shè)計(jì)中，增加鉚接點(diǎn)、提高鉚接力顯然對(duì)鐵芯材料的磁性能不利，但如果疊片間鉚接結(jié)合力不足，就會(huì)導(dǎo)致疊片系數(shù)下降，且疊片間的間隙也會(huì)導(dǎo)致渦流損耗增加，因此控制疊片間鉚接應(yīng)力大小對(duì)鐵芯的性能起著不可忽視的作用。

1.3 熱套應(yīng)力的影響

為將鐵芯固定在電機(jī)殼體內(nèi)，需要采用壓入或熱壓裝配的方法，由此在鐵芯內(nèi)形成的殘余應(yīng)力會(huì)使電機(jī)的鐵損增大。圖4所示為平行于板面的壓應(yīng)力對(duì)鐵芯材料磁性能的影響。從圖4中可以看出，當(dāng)受到壓應(yīng)力時(shí)，在各個(gè)磁通密度下鐵芯鐵損都顯著增加，但磁感應(yīng)強(qiáng)度卻隨著壓應(yīng)力的上升大幅下降，特別是在低磁場(chǎng)下磁感應(yīng)強(qiáng)度下降尤為顯著。Nakaoka等[9]認(rèn)為這是因?yàn)榇呕€快速上升階段即磁疇壁不可逆移動(dòng)階段容易受到應(yīng)力應(yīng)變的影響，應(yīng)力應(yīng)變不僅引起磁滯損耗的增加，還引起渦流損耗的增加。另外，應(yīng)力應(yīng)變的影響促進(jìn)了鐵芯內(nèi)磁通量分布的不均勻程度。Fujisaki等[11]同樣研究了壓應(yīng)力和拉應(yīng)力對(duì)硅鋼片磁性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著壓應(yīng)力的增加，硅鋼片鐵損逐漸增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸降低，而施加拉應(yīng)力有利于硅鋼片磁性能的改善。Miyagi和Takahashi等[12-13]進(jìn)行了彈性應(yīng)力對(duì)無(wú)取向電工鋼板鐵損影響的研究，認(rèn)為電機(jī)的熱套裝配有時(shí)會(huì)產(chǎn)生超過(guò)100 MPa的壓應(yīng)力，因此電工鋼特別是高牌號(hào)電工鋼的磁性能容易惡化；隨著壓應(yīng)力的增大，相對(duì)磁導(dǎo)率降低，而鐵損上升；壓應(yīng)力小于50 MPa時(shí)電工鋼磁性能的惡化相當(dāng)明顯；壓應(yīng)力在50 MPa以上時(shí)電工鋼軋向和橫向的磁性能區(qū)別變小；磁滯損耗和渦流損耗隨著壓應(yīng)力的增加而增加，磁滯損耗的增加主要是由于壓應(yīng)力下的矯頑力的增加。

(a)鐵損曲線

(b)磁化曲線

Fig.4Effectofcompressivestressinthehorizontaldirectiononmagneticpropertiesofthematerials

Bultea等[14 ]認(rèn)為當(dāng)試樣施加機(jī)械外力后，其磁性能將發(fā)生顯著變化，在鋼鐵材料中，磁場(chǎng)方向的壓應(yīng)力使磁化困難，而拉應(yīng)力使磁化容易。這些影響可用磁疇壁的結(jié)構(gòu)而非它們的運(yùn)動(dòng)來(lái)解釋。磁疇在共格晶體點(diǎn)陣區(qū)域內(nèi)形成，并且沿易磁化方向取向，在90°疇壁中，沒(méi)有自旋沿易磁化方向排列，在180°疇壁中，疇壁的中心沿易磁化方向排列，而其他的疇壁自旋沿難磁化方向排列。疇壁內(nèi)的自旋類似于疇壁內(nèi)磁矩的可逆旋轉(zhuǎn)，它是由對(duì)抗反作用各向異性力的高外加磁場(chǎng)產(chǎn)生的。

當(dāng)疇壁為不易對(duì)齊磁矩的有效集合時(shí)，它們將受到外加應(yīng)力的影響。當(dāng)外加應(yīng)力對(duì)疇壁產(chǎn)生單向有效壓力時(shí)，90°疇壁將發(fā)生運(yùn)動(dòng)，對(duì)180°疇壁的壓力將是雙向的但方向相反，因此疇壁的厚度將發(fā)生輕微改變，但其位置不會(huì)變化。在鋼鐵材料中，當(dāng)試樣處于非零凈磁化狀態(tài)時(shí)，應(yīng)力將影響其磁化過(guò)程，它會(huì)通過(guò)90°疇壁的運(yùn)動(dòng)降低(通過(guò)壓應(yīng)力)或提高(通過(guò)拉應(yīng)力)有利取向疇壁的尺寸大小[14]。因此，當(dāng)施加壓應(yīng)力時(shí)，90°疇壁的運(yùn)動(dòng)將降低有利取向疇壁的尺寸從而導(dǎo)致磁性能惡化。

Kawabe等[15]認(rèn)為鐵磁材料在磁化時(shí)由于磁致伸縮產(chǎn)生了彈性應(yīng)力。磁化時(shí)鐵芯要伸長(zhǎng)而又受限制不能伸長(zhǎng)時(shí)，就在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。對(duì)于硅鋼，磁致伸縮λs>0，在施加拉力(σ>0)的情況下，磁化方向與應(yīng)力方向的夾角θ=0°時(shí)磁彈性能Eσ最低，此時(shí)磁化強(qiáng)度方向轉(zhuǎn)向拉力方向，促進(jìn)了磁化；在施加壓力(σ<0)的情況下，θ=90°時(shí)Eσ最低，此時(shí)磁化強(qiáng)度方向轉(zhuǎn)向與壓力垂直的方向，阻礙了磁化。

因此，電機(jī)設(shè)計(jì)人員在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮熱套應(yīng)力對(duì)鐵芯材料性能的影響，在保證電機(jī)安全牢靠的前提下，選擇合適的熱套工藝參數(shù)，包括外殼加熱溫度和冷卻介質(zhì)、冷卻速度，以便充分利用鐵芯材料的性能優(yōu)勢(shì)。

2 運(yùn)行環(huán)境對(duì)電機(jī)鐵芯用硅鋼片性能的影響

2.1 溫度的影響

電機(jī)等電磁設(shè)備的最優(yōu)設(shè)計(jì)往往通過(guò)有限元分析完成。但由于硅鋼材料經(jīng)常會(huì)在高溫或低溫下使用，例如電動(dòng)汽車中電機(jī)的工作溫度可高達(dá)200 ℃，高速旋轉(zhuǎn)下的轉(zhuǎn)子對(duì)環(huán)境溫度也十分敏感[16]，因此如果使用室溫下的磁特性來(lái)分析電機(jī)的磁性就會(huì)出現(xiàn)偏差。圖5所示為溫度對(duì)35W250硅鋼片磁性能的影響。從圖5中可以看出，低磁感應(yīng)強(qiáng)度下硅鋼片鐵損受溫度變化的影響不明顯，而1.5 T以上的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，硅鋼片鐵損隨著溫度的上升明顯降低。溫度對(duì)0.5～1.4 T的中等磁感應(yīng)強(qiáng)度下的硅鋼片磁導(dǎo)率影響較為顯著，隨著溫度的上升，磁導(dǎo)率逐漸下降，而對(duì)低磁感應(yīng)強(qiáng)度和高磁感應(yīng)強(qiáng)度下的硅鋼片的磁導(dǎo)率影響不大明顯。

(a)鐵損曲線

(b)磁導(dǎo)率曲線

Fig.5Effectoftemperatureonmagneticpropertiesof35W250siliconsteel

圖6所示為溫度對(duì)30W250牌號(hào)硅鋼片機(jī)械性能的影響。由圖6中可以看出，在100 ℃以下時(shí)，材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著溫度的上升逐漸下降，而在100 ℃以上時(shí)，材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨溫度的上升有小幅反彈。Nakaoka等[16]研究了溫度對(duì)35A250硅鋼鐵損的影響，其研究結(jié)果表明，當(dāng)溫度在40～100 ℃時(shí)，隨著溫度的上升，材料鐵損逐漸降低，且鐵損的降幅越來(lái)越小。Takahashi等[17]研究了溫度對(duì)35A360環(huán)形材料磁性能的影響，發(fā)現(xiàn)溫度低于500 ℃時(shí)材料的磁導(dǎo)率隨溫度的變化不明顯，而溫度高于500 ℃時(shí)隨著溫度的上升材料的磁導(dǎo)率顯著下降。材料鐵損隨著溫度的下降逐漸下降則主要是由磁滯損耗隨著溫度的上升而下降造成的。

圖6 溫度對(duì)35W250牌號(hào)硅鋼片機(jī)械性能的影響

Fig.6Effectoftemperatureonthemechanicalpropertiesof35W250siliconsteel

對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)，溫度上升有利于鐵芯損耗的下降，這對(duì)提高輸出功率從而提高電機(jī)效率有一定作用，但是，電機(jī)中的許多部件都有一定的耐用溫度，溫度過(guò)高對(duì)其使用效能及壽命都有一定影響，另外，溫度上升導(dǎo)致鐵芯材料磁導(dǎo)率下降，當(dāng)電機(jī)需要在某一磁感點(diǎn)下工作時(shí)，所需的外磁場(chǎng)即對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流就越大，這會(huì)導(dǎo)致繞組銅損的增加。因此，從電機(jī)的設(shè)計(jì)角度來(lái)講，如何提高散熱性能來(lái)控制電機(jī)工作溫度成為提高電機(jī)效率、延長(zhǎng)電機(jī)壽命的一個(gè)重要方面。

另一方面，在一定溫度下，溫度上升導(dǎo)致硅鋼片強(qiáng)度下降，使轉(zhuǎn)子整體的抗變形能力下降，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙寬度發(fā)生變化，這將直接影響到電機(jī)的性能。另外，由于電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下轉(zhuǎn)子的離心力較大，特別是在磁橋處由于寬度較窄導(dǎo)致應(yīng)力高度集中[18-19]，因此，強(qiáng)度的下降容易導(dǎo)致磁橋處抗變形能力下降甚至發(fā)生斷裂，給電機(jī)運(yùn)行造成安全隱患。

2.2 諧波的影響

電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)采用PWM(變頻器)進(jìn)行調(diào)速，電機(jī)中的工作磁場(chǎng)往往是非正弦波狀態(tài)。研究表明，永磁無(wú)刷電機(jī)中定子齒部基波波形上存在強(qiáng)烈的脈沖信號(hào)，這些脈沖由電樞電流的快速變化產(chǎn)生，并隨著電樞電流的增大而加強(qiáng)，傅里葉分析的結(jié)果表明這些脈沖信號(hào)會(huì)產(chǎn)生3次、5次、7次和更高次數(shù)的諧波，更高次數(shù)的諧波會(huì)加在基波磁密波形上。

變頻器輸出的諧波分量會(huì)在電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵芯中產(chǎn)生附加鐵損[20-21]，如圖7所示。在電驅(qū)動(dòng)電機(jī)仿真時(shí)，如何正確預(yù)測(cè)非正弦激勵(lì)下硅鋼片材料特性是一個(gè)亟待解決的重要課題。因此，從提高分析的精度出發(fā)，在對(duì)電機(jī)不同工作狀態(tài)進(jìn)行分析和仿真時(shí)必須采用對(duì)應(yīng)激勵(lì)下測(cè)量的硅鋼片材料特性數(shù)據(jù)[22-24]。Nam等[21]結(jié)合磁密波形圖，采用傅里葉變換法和軟件對(duì)鐵損進(jìn)行了分析計(jì)算，認(rèn)為當(dāng)考慮諧波作用時(shí)，電機(jī)的實(shí)際鐵損是可以進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算的。方瑞明等[23]采用諧波分析法進(jìn)行高速變頻電機(jī)仿真，將非正弦激勵(lì)求解問(wèn)題轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的正弦激勵(lì)求解問(wèn)題，解決了非正弦激勵(lì)下硅鋼片材料特性數(shù)據(jù)難以獲得的難題，應(yīng)用三層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)硅鋼片材料特性預(yù)測(cè)，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力，從硅鋼片制造商提供的有限數(shù)據(jù)出發(fā)，預(yù)測(cè)硅鋼片在不同頻率正弦激勵(lì)下的磁化曲線和損耗曲線。

圖7 含有不同次數(shù)諧波對(duì)材料鐵損的影響Fig.7 Effect of harmonic on the iron loss of the materials

Seo等[25]認(rèn)為在較低的磁感應(yīng)強(qiáng)度工作點(diǎn)下，諧波損耗的比例比在其他情況下要大。轉(zhuǎn)子脈振產(chǎn)生的9次諧波引起的諧波損耗隨著轉(zhuǎn)速的不同變化最為顯著。

從電機(jī)設(shè)計(jì)角度來(lái)看，諧波的存在已成為電機(jī)設(shè)計(jì)中難確定的因素，對(duì)鐵芯材料的磁性能存在不利影響，因此應(yīng)盡量?jī)?yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)，減少諧波的存在，或者在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮諧波對(duì)鐵芯材料的影響，從而為設(shè)計(jì)者提供相關(guān)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

2.3 轉(zhuǎn)子離心力的影響

除了強(qiáng)度以外，轉(zhuǎn)子用無(wú)取向電工鋼板最重要的特性就是磁通密度。IPM電機(jī)充分利用了磁阻轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)子用材料的磁通密度直接影響到轉(zhuǎn)矩的大小，磁通密度低則無(wú)法得到理想的轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子用無(wú)取向電工鋼板的另一特性就是鐵損。鐵損是由不可逆的疇壁移動(dòng)引起的磁滯損耗和磁化引起的渦流損耗組成的，電工鋼板的總損耗由這兩種損耗的總和來(lái)評(píng)價(jià)。轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的鐵損對(duì)電機(jī)的效率沒(méi)有太大的影響，但轉(zhuǎn)子產(chǎn)生鐵損時(shí)發(fā)出的熱對(duì)永磁體具有消磁的作用，間接地惡化了電機(jī)的性能。圖8給出了不同拉應(yīng)力條件下35W250材料的鐵損曲線和磁化曲線。由圖8中可見(jiàn)，隨著離心應(yīng)力的增大，硅鋼片的磁性能有明顯的改善。Fujisaki等[11]研究表明拉應(yīng)力能使硅鋼片鐵損和磁感應(yīng)強(qiáng)度得到明顯改善。Nakaoka等[9]認(rèn)為這是因?yàn)檠刂呕较蚋郊永鞈?yīng)力會(huì)使磁疇壁容易移動(dòng)，從而改善磁化曲線快速上升部分的形狀。

(a)鐵損曲線

(b)磁化曲線

Fig.8Effectoftensilestressinthehorizontaldirectiononmagneticpropertiesofthematerials

因此，僅從電機(jī)的性能角度來(lái)講，高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的離心力有利于改善鐵芯材料的磁性能，從而提高電機(jī)的性能。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究成果，從硅鋼片應(yīng)用技術(shù)的角度闡述了電驅(qū)動(dòng)電機(jī)鐵芯加工工藝對(duì)硅鋼材料性能的影響，并結(jié)合電機(jī)運(yùn)行環(huán)境介紹了包括溫度、諧波、離心應(yīng)力等對(duì)硅鋼材料性能的影響，認(rèn)為在電機(jī)實(shí)際制造過(guò)程中，應(yīng)選擇合適的模具和沖片工藝，盡量減少加工應(yīng)力對(duì)硅鋼片性能的影響；在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)電機(jī)具體參數(shù)和性能要求，綜合考慮溫度、諧波、離心應(yīng)力等各種因素對(duì)硅鋼片性能的影響。由于電機(jī)鐵芯實(shí)際沖壓工藝和電機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，相關(guān)因素的影響更為復(fù)雜，因此，對(duì)復(fù)雜條件下硅鋼片性能的仿真還需要進(jìn)一步加大研究力度。

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