過盈配合對非晶合金電機鐵耗影響的實驗研究

朱龍飛,　朱建國,　佟文明,　韓雪巖

(1.沈陽工業大學 國家稀土永磁電機工程技術研究中心 電氣工程學院,遼寧 沈陽 110870；2.悉尼科技大學 電氣機械和機電系統學院,澳大利亞 悉尼 2007)

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過盈配合對非晶合金電機鐵耗影響的實驗研究

朱龍飛1,朱建國2,佟文明1,韓雪巖1

(1.沈陽工業大學 國家稀土永磁電機工程技術研究中心 電氣工程學院,遼寧 沈陽 110870；2.悉尼科技大學 電氣機械和機電系統學院,澳大利亞 悉尼 2007)

為了研究過盈配合加工對非晶合金永磁電機鐵耗的影響，采用實驗方法測試了多種過盈量時非晶合金材料的損耗特性，并對實驗結果進行了分析。給出了考慮過盈配合加工的非晶合金電機鐵耗計算方法，并通過樣機實驗對鐵耗計算結果進行了驗證，進而分析了不同過盈量時非晶合金電機鐵耗的變化規律。結果顯示，過盈配合加工會導致非晶合金材料渦流損耗增加，非晶合金電機軛部損耗增加、溫升升高、效率降低。在非晶合金電機定子鐵心裝配時應采用盡可能小的過盈量或不采用過盈配合工藝。

過盈配合；非晶合金；永磁電機；鐵耗；實驗研究

0　引　言

非晶合金材料具有單片薄、電阻率大等優點，其損耗遠遠低于傳統硅鋼片材料，采用非晶合金材料代替硅鋼片制造電機鐵心可有效降低電機的鐵心損耗[1-4]。但是非晶合金材料損耗性能受應力影響十分嚴重，電機鐵心加工過程中疊壓、過盈配合等環節都會在非晶合金鐵心內部引入應力，導致材料損耗性能惡化。在設計非晶合金電機時，忽略加工的影響，直接使用非晶合金帶材損耗曲線有可能導致非晶合金電機設計失敗。因此，研究加工工藝對非晶合金材料損耗性能的影響對非晶合金電機的合理設計是十分必要的。

疊壓加工會在非晶合金鐵心內部引入疊壓力，導致片間絕緣損壞。過盈配合加工會在鐵心軛部引入壓緊力，導致軛部非晶合金材料晶格發生變化。這兩種加工均會導致非晶合金材料損耗性能變壞。國內外許多學者對疊壓加工引起的非晶合金損耗性能變化進行了深入研究[5-7]，并取得了一些結論。對于過盈配合加工的影響，只有很少數文獻介紹了硅鋼片鐵心損耗受過盈配合加工的影響[8-9]。文獻[8]以一個齒為研究對象，測試了多種壓力下該齒的損耗性能。但該方法不但需要專有的加壓裝置，且加壓方式也不同于過盈配合工藝。文獻[9]在鐵心軛部放置測試線圈，分析了過盈配合后電機軛部的損耗，但無法分析多種過盈量下損耗的變化規律。而有關過盈配合加工對非晶合金電機鐵耗影響的文章更是鮮有報道。

基于以上研究現狀，本文設計了實驗方法，并測試了無過盈、0.02 mm過盈量、0.05 mm過盈量和0.1 mm過盈量時非晶合金鐵心的損耗曲線。研究了過盈配合引起的非晶合金材料損耗變化規律。給出了考慮過盈配合影響的非晶合金電機鐵耗計算方法，并利用樣機實驗對計算結果進行了驗證。對比分析了采用不同過盈量時非晶合金電機鐵耗的分布規律。

1　實驗方法

1.1非晶合金鐵心試樣

實驗所采用的非晶合金鐵心試樣如圖1所示，鐵心材料為日立公司生產的Metglas 2605SA1，鐵心外徑為123 mm。將該非晶合金鐵心嵌入到一帶有狹縫的鋁制機殼內，如圖2所示。利用虎鉗調整機殼狹縫大小來調整機殼內徑，從而得到不同過盈量的過盈配合。

圖1　非晶合金定子鐵心Fig.1　Amorphous alloy material stator core

圖2　非晶合金鐵心試樣Fig.2　Amorphous alloy material core sample

1.2實驗線路及方法

圖3為非晶合金損耗性能試驗原理，正弦波電源與電網連接，可產生多種頻率的正弦電壓波形。在非晶合金鐵心試樣上分別纏繞激勵線圈和測試線圈，兩者的匝數比為40/10。激勵線圈與正弦波電源和數字功率表連接，為非晶合金鐵心試樣提供磁通的同時測試激勵線圈的輸入功率。測試線圈與示波器和數字功率表連接，通過測試線圈的反電動勢折算出鐵心試樣的磁通密度。具體的實驗線路如圖4所示。

圖3　實驗原理圖Fig.3　Experimental principle diagram

在測量非晶合金鐵心試樣損耗時，調節正弦激勵源給鐵心勵磁，記錄測試線圈的反電動勢、激勵線圈的電流及輸入功率。在200 Hz(本文所制造的非晶合金電機運行頻率)下測試了無過盈量、0.02 mm過盈量、0.05 mm過盈量和0.1 mm過盈量時非晶合金鐵心試樣的損耗曲線。

圖4　實驗線路圖Fig.4　Experimental system

2　實驗結果及討論

2.1實驗結果

圖5所示為不同過盈量時非晶合金鐵心試樣的損耗曲線。從圖5中可以看出，隨著過盈量的增加，所測試的非晶合金鐵心損耗也相應增加。由此說明過盈配合會導致非晶合金材料損耗性能惡化，且過盈量越大，損耗惡化越嚴重。

2.2過盈配合引起的鐵心損耗增長率

基于2.1節的測試結果，進一步研究了隨過盈量增加非晶合金材料的損耗增長率，如圖6所示(以1.0 T時非晶合金鐵心的損耗測試結果為例進行分析)。

由圖6可以看出，當過盈量為0.02、0.05和0.1 mm時，非晶合金鐵心損耗增加百分比分別為77.75%、133.82%和183.82%。雖然損耗增量隨過盈量的增加呈上升趨勢，但增速明顯變緩。

圖5　不同過盈量時的鐵心損耗曲線Fig.5　Core loss curves at varietal shrink ranges

圖6　不同過盈量時鐵心損耗增加百分比Fig.6　Increasing percentage of core loss with varietal shrink ranges

2.3過盈配合引起的鐵心損耗增量性質分析

電工鋼片中兩種典型的損耗是磁滯損耗和渦流損耗，可表示為

(1)

(2)

式中：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；kh、α為磁滯損耗系數，ke為渦流損耗系數，該系數可通過非線性回歸電工鋼片帶材損耗曲線計算得出。

為了探究過盈配合對上述兩種損耗的影響規律，基于式(1)、式(2)，并借助非線性回歸的方法將2.1節中的損耗測試結果按磁滯損耗和渦流損耗進行分離，分離結果如圖7所示。

從圖7中可以看出，過盈配合之后，非晶合金材料的磁滯損耗與渦流損耗均有所增加，其中渦流損耗隨過盈量增加而增加的趨勢十分明顯。同樣以1.0 T為例對圖7中的損耗數據進行分析，得出不同過盈量時磁滯損耗與渦流損耗密度增量，如表1所示。

圖7　不同過盈量時鐵心損耗分離Fig.7　Separation of the core loss with varietal shrink ranges

損耗性質過盈量/mm0.020.050.1ph/(W·kg-1)0.971.111.55pe/(W·kg-1)1.723.524.82

從表1中可以看出，過盈配合加工引起的主要損耗增量為渦流損耗性質，且過盈量越大，渦流損耗密度增加越多。

3　過盈配合對非晶合金電機鐵耗的影響

3.1鐵心損耗計算方法

將2.3節中式(1)和式(2)整合，即為工程上常用的鐵心損耗計算方法，可表示為

(3)

但是直接用非晶合金帶材損耗曲線分析式(3)中的磁滯、渦流損耗系數將無法考慮鐵心加工、諧波以及旋轉磁化引起的鐵耗。因此，本文采取的方法是利用2.1節中加工后的非晶合金鐵心的損耗測試結果，直接分析出不同過盈配合情況下，非晶合金鐵心的損耗系數，如表2所示。

表2　加工后非晶合金鐵心的損耗系數

圖8對比了不同過盈量時利用式(3)以及表2中的系數計算的非晶合金鐵心損耗密度和實測的鐵心損耗密度，可以看出計算值與實測值相符性良好。

圖8　計算損耗曲線與實測損耗曲線對比Fig.8　Comparison of calculated loss curves and measured loss curves

對于鐵心軛部旋轉磁化相對于交變磁化引起的損耗差異，朱建國教授利用旋轉磁化測量儀器對硅鋼片在旋轉磁化條件下的損耗進行了測量。在大量實驗數據的基礎上，利用非線性擬合的方法建立了旋轉磁化模型[10]，并提出了考慮旋轉磁化的鐵心損耗計算方法，實驗證明該方法具有較高計算精度[11]。但該旋轉磁化測量儀器十分稀有，實驗成本較高，很難被廣泛應用。B.Stumberger等人提出了正交分解的旋轉磁化鐵耗等效計算方法[12]，由于其計算簡便且誤差可以滿足工程精度的要求，得到了廣泛的應用。對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的頻率代入到式(3)中計算后代數相加[13-14]。由此，計及加工、旋轉磁化、諧波因素影響的非晶合金定子鐵心損耗計算模型為

(4)

式中:ρAMM為非晶合金材料密度，單位為kg/m3；ν為定子鐵心磁密諧波次數；Bνr、Bνθ分別為ν次諧波徑向和切向磁密分量，T；V為鐵心體積，m3。

3.2樣機鐵耗計算與實驗驗證

以一臺2.1 kW非晶合金永磁電機為例，樣機參數見表3，計算了其在200 Hz頻率下空載鐵耗，并在同頻率下對電機空載鐵耗進行了測試。圖9具體分析了無過盈和0.02 mm過盈量時鐵耗的組成部分，并將計算結果與實驗結果進行了對比。由于樣機是表貼式結構，忽略了鐵耗中轉子損耗分量，永磁體渦流損耗直接利用三維有限元進行分析，且樣機的機械損耗是利用假轉子方法進行分離的。

表3　非晶合金永磁電機性能指標

圖9　鐵耗分析與實驗對比Fig.9　Analysis of iron losses and the comparison of calculated iron losses to the measured results

圖9中，Pje、Pjh、Pte、Pth和Pmag分別為軛部渦流損耗、軛部磁滯損耗、齒部渦流損耗、齒部磁滯損耗和永磁體渦流損耗。從圖9中可以看出，考慮過盈配合后，定子齒部磁滯、渦流損耗和永磁體渦流損耗基本無變化，損耗的主要增量源為軛部磁滯、渦流損耗。采用0.02 mm過盈量損耗數據計算的鐵耗值更接近實驗值。

3.3過盈量對電機鐵耗影響分析

為了分析不同過盈量對非晶合金電機鐵耗的影響，利用有限元方法分析了不同過盈量時電機鐵心損耗的分布規律，如圖10所示。

從圖10中可以看出，隨著過盈量的增加，電機軛部損耗增加嚴重，這將有可能導致電機鐵心溫升值上升，電機效率降低等問題。因此，對于非晶合金材料的定子鐵心，應盡量采用較小過盈量的鐵心-機殼配合工藝，或采用過度配合并配以膠水粘接的配合工藝。

圖10　非晶合金電機鐵心損耗分布Fig.10　Iron loss distributions of amorphous alloy motor core

4　結　論

本文利用實驗方法實測了不同過盈量時非晶合金鐵心的損耗密度曲線，并對損耗性質進行了分析。基于損耗測試結果分析了一臺2.1 kW非晶合金電機的鐵耗，計算結果與實驗結果進行了對比。借助有限元方法分析了不同過盈量時電機鐵心損耗的分布規律。結果顯示：

1)過盈配合會導致非晶合金材料損耗性能惡化，且過盈量越大，損耗密度增加越大，但增加速度隨過盈量的增加呈逐漸減緩趨勢；

2)過盈配合加工引起的主要損耗增量為渦流損耗性質；

3)采用與電機相同過盈量的非晶合金鐵心損耗測試數據計算出的電機鐵耗更接近實驗值；

4)隨著過盈量的增加，非晶合金電機軛部損耗增加嚴重，有可能導致溫升升高、效率降低等后果。在定子鐵心裝配時應采用盡可能小的過盈量或不采用過盈配合工藝。

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(編輯：劉琳琳)

Experimental research on influences of shrink fitting process to iron losses of amorphous alloy motor

ZHU Long-fei1，ZHU Jian-guo2，TONG Wen-ming1，HAN Xue-yan1

(1.School of Electrical and Engineering,National Engineering Research Center for Rare-earth Permanent Magnetic Machines,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China；2.School of Electrical Mechanical and Mechatronic System,University of Technology Sydney,Sydney 2007,Australia)

In order to research the influences of shrink fitting process to the iron losses of amorphous alloy permanent magnet motor,experimental method was adopted to measure the loss characteristics of amorphous alloy material at several shrink ranges,and the results were analyzed.The iron losses calculation method of amorphous alloy motor was given which is in consideration of the influences of shrink fitting process.The calculated results were verified by measured results of an amorphous alloy motor,and the influences of shrink fitting process to amorphous alloy motor was analyzed.The results show that,the eddy current part of amorphous alloy material and the yoke loss of amorphous alloy motor increase a lot because of the shrink fitting process,which leads to a increasing of temperature raise and decreasing of efficiency performance.So,the shrink range should be as small as possible or the shrink fitting process is not used during the casing of amorphous alloy motors.

shrink fitting; amorphous alloy; permanent magnet motor; iron loss; experimental research

2015-10-31

國家科技支撐計劃項目(2013BAE08B00)；國家自然科學基金(51307111)；遼寧省教育廳科學技術研究項目(L2013049)

朱龍飛(1988—)，男，博士研究生，研究方向為特種電機及其控制；

朱建國(1958—)，男，教授，博士生導師，研究方向為電工磁性材料和新型電驅動系統；

朱建國

10.15938/j.emc.2016.09.006

TM 351

A

1007-449X(2016)09-0040-06

佟文明(1984—)，男，博士，副教授，研究方向為特種電機及其控制；

韓雪巖(1978—)，女，博士，副教授，研究方向為特種電機及其控制。