深海用永磁同步電機硅鋼片磁特性及鐵損研究

陳芝波，羅 響，龔 純

(1 上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240；2 中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

0 引 言

推進電機是全海深無人潛水器的主要動力來源。高效推進電機設(shè)計是制備性能優(yōu)良的全海深無人潛水器的前提條件，而無取向硅鋼片是深海推進電機定子鐵心的核心材料，硅鋼片的性能直接影響著整個潛水器推進系統(tǒng)的性能。

與普通環(huán)境用電機相比，深海用推進電機處于較大的流體壓強環(huán)境中，電機定子硅鋼片將受到一定的深海壓應(yīng)力。在深海壓應(yīng)力的作用下，電機定子硅鋼片的微觀結(jié)構(gòu)將會發(fā)生變化，進而影響硅鋼片的磁特性。而硅鋼片的磁特性是硅鋼片的重要性能指標，它的變化將直接影響深海用推進電機的鐵心損耗，從而影響整個推進電機驅(qū)動系統(tǒng)的效率。目前，國內(nèi)外有很多文獻研究硅鋼片在擠壓應(yīng)力以及電磁應(yīng)力作用下的磁特性變化,很少有文獻研究硅鋼片在深海特定環(huán)境下磁特性的變化規(guī)律。

本文使用有限元計算方法分析了深海用推進電機使用DW470硅鋼片材料作為電機定子鐵心的壓應(yīng)力分布情況，以及定子鐵心形變情況。在定子鐵心應(yīng)力場分析的基礎(chǔ)上，將應(yīng)力計算結(jié)果與電磁場進行耦合，仿真計算了定子鐵心在不同壓力環(huán)境下的磁密分布，并以電機定子鐵心磁密Bm保持不變?yōu)闂l件，計算出深海無人潛水器推進電機在不同壓強下的鐵心損耗。最后在理論分析的基礎(chǔ)上，實驗?zāi)M了深海壓強環(huán)境，測試了無取向硅鋼片在不同深海應(yīng)力作用下的磁特性變化規(guī)律。獲得的測量結(jié)果以及仿真結(jié)論可為高性能深海電機的設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 深海環(huán)境下定子鐵心壓力分布

當潛水器推進電機在深海環(huán)境運行時，整個推進電機將處于流體的壓應(yīng)力之下。推進電機定子硅鋼片將受到機殼的擠壓應(yīng)力以及電機內(nèi)部油介質(zhì)的擠壓應(yīng)力，本文的仿真只考慮了電機的徑向壓力。

深海環(huán)境下推進電機定子鐵心的受力狀態(tài)如圖1所示，其中箭頭表示電機定子所受到的擠壓應(yīng)力的方向，D、G方向表示來自電機外殼的擠壓應(yīng)力，A、B、C、E、F方向表示來自電機內(nèi)部油介質(zhì)的擠壓應(yīng)力。

圖1 電機定子在深海環(huán)境下的受力狀態(tài)

電機定子鐵心為圓柱形，其應(yīng)力分布的分析通常采用空間圓柱坐標系。根據(jù)材料力學的胡可定理，可得到電機定子鐵心各個方向的應(yīng)力：

式中：σx，σy，σz分別為電機定子鐵心所受到的徑向、切向和軸向應(yīng)力；ν為材料的泊松比；E為材料的彈性模量。

電機定子鐵心受到的總壓應(yīng)力可表示如下：

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)，可以計算出深海環(huán)境下推進電機硅鋼片的受力分布。本文根據(jù)深海電機的實際應(yīng)用環(huán)境及其受力狀態(tài)，采用有限元方法計算電機定子鐵心在不同深海壓強下的應(yīng)力分布。仿真使用到的電機具體參數(shù)如表1所示。

推進電機定子應(yīng)力分布仿真結(jié)果如圖2所示。

表1 推進電機參數(shù)

圖2 定子鐵心在不同深度下應(yīng)力分布

從推進電機定子鐵心在深海環(huán)境下的應(yīng)力分布仿真結(jié)果可以看出，在深海高壓環(huán)境下，定子鐵心齒部所受到的壓應(yīng)力最大，而電機定子鐵心軛部受到的壓應(yīng)力最小。電機定子鐵心大部分區(qū)域所受到的壓應(yīng)力大小與深海環(huán)境的壓強成正比。

推進電機在不同深海壓強下總形變量仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 定子鐵心在不同深度下總形變

由圖3的仿真結(jié)果可知，推進電機定子鐵心在深海環(huán)境下，定子鐵心齒靴處總形變最大，而定子鐵心軛部的總形變最小。

2 深海環(huán)境下定子鐵心損耗計算

在深海環(huán)境下，電機定子鐵心將受到壓應(yīng)力的作用，從而影響定子鐵心硅鋼片的磁性能。電機定子鐵心是電機磁路中的重要部分，定子鐵心的性能直接影響著電機的鐵心損耗，而電機的鐵耗將影響整個驅(qū)動系統(tǒng)的效率。

2.1 應(yīng)力對硅鋼片磁導(dǎo)率的影響

硅鋼片在外加應(yīng)力下磁性能會發(fā)生一定的變化，且壓應(yīng)力和拉應(yīng)力對硅鋼片的磁性能影響不同[7]。硅鋼片磁導(dǎo)率與外加應(yīng)力對應(yīng)的關(guān)系可表示如下[8]：

式中：μ為硅鋼片在外加應(yīng)力下的磁導(dǎo)率；Δμ為磁導(dǎo)率變化量；σ為硅鋼片所受的應(yīng)力；λ為磁滯伸縮系數(shù)；μh為硅鋼片初始磁導(dǎo)率。

當硅鋼片受到壓應(yīng)力σ<0時，由式(3)可知，硅鋼片磁導(dǎo)率μ將減小。

2.2 鐵心損耗的計算

電機鐵心損耗由渦流損耗、磁滯損耗以及異常損耗三部分組成。電機定子鐵心損耗可表示[6]：

式中：Whi，Wei，Wai分別為各次諧波的定子鐵心損耗的磁滯損耗、渦流損耗、附加損耗。

根據(jù)經(jīng)典的鐵心損耗分離模型，電機定子鐵心計算經(jīng)驗公式[8]：

式中：kh為鐵芯磁滯損耗系數(shù)；kc為鐵心渦流損耗系數(shù)；ke為鐵心附加損耗系數(shù)。

磁滯損耗是鐵磁體在反復(fù)磁化過程中因磁滯現(xiàn)象而消耗的能量，與磁疇的運動有關(guān)。磁滯損耗的大小正比于磁滯回線的面積。而渦流損耗與變化的磁場與電流有關(guān)。

附加損耗主要與鐵心的結(jié)構(gòu)工藝有關(guān)，也與電機中氣隙中的諧波磁場有關(guān)。

而在深海環(huán)境下，電機定子鐵心受到巨大的壓應(yīng)力作用，電機定子硅鋼片內(nèi)部晶粒將會變形，磁疇轉(zhuǎn)動的阻力將發(fā)生變化[2]。在壓應(yīng)力的作用下硅鋼片的磁阻將增大，進而影響硅鋼片的磁導(dǎo)率[8]。

2.3 鐵心損耗仿真

本文采用應(yīng)力場-電磁場耦合的方法來計算定子鐵心損耗。將應(yīng)力場的計算結(jié)果與電磁場耦合，進而計算定子鐵心在不同深海壓強下的鐵心磁密分布以及鐵心損耗分布。圖4為推進電機二維拓撲結(jié)構(gòu)。

圖4 電機拓撲結(jié)構(gòu)

推進電機定子鐵心在不同深海壓強下的磁密分布仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 定子鐵心在不同深海壓力下的磁密分布

圖5的仿真結(jié)果表明，在深海壓力環(huán)境下，定子鐵心齒靴處磁密最大。隨著壓力的增大，推進電機定子鐵心磁密有所下降，在深度8 000m下，定子鐵心磁密最大值為2.964 2T；而當電機處于12 000m時，定子鐵心密度最大值下降為2.638 3T。這是由定子鐵心受較大的擠壓應(yīng)力而使鐵心齒靴處磁導(dǎo)率下降、磁阻增大而導(dǎo)致的[8]。

推進電機定子鐵心在不同深海壓強下鐵心損耗分布仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6的仿真結(jié)果表明，在深海壓力作用下，電機定子鐵心齒部鐵損密度最大，且隨著深海壓力的增大，電機定子鐵心損耗密度的最大值也逐漸增大。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗平臺

本文利用深海壓力模擬器，模擬了深海環(huán)境下的壓力，進行了推進電機用硅鋼片打壓實驗，測取了硅鋼片在不同壓力環(huán)境下磁特性的變化規(guī)律。圖7為深海打壓實驗平臺。

圖7 深海環(huán)境硅鋼片磁特性測量打壓實驗平臺

3.2 實驗測量原理

B-H曲線測量原理如圖8所示。

圖8 B-H曲線測量原理圖

磁場強度H計算公式：

(6)

式中：l為被測樣品的平均周長；R1是與初級線圈串聯(lián)的電阻；U1表示R1兩端的電壓。

磁感應(yīng)強度B計算公式：

式中：C為被測樣品次級線圈串聯(lián)的電容；R2是與次級線圈串聯(lián)的電阻；U2表示C兩端的電壓。

3.3 實驗結(jié)果

圖9為深海環(huán)境下的硅鋼片磁化曲線。圖9中，橫軸為測量磁場強度H所對應(yīng)的U1，縱軸為測量磁感應(yīng)強度B所對應(yīng)的U2。從實驗結(jié)果可以看出，在壓縮應(yīng)力環(huán)境下，硅鋼片的B-H曲線會發(fā)生變化。隨著壓力的增加，硅鋼片的磁滯回線會向內(nèi)收縮，硅鋼片的相對磁導(dǎo)率隨著環(huán)境壓力的增大而降低。

圖9 硅鋼片磁化曲線

4 結(jié) 語

本文研究了電機用定子硅鋼片在深海應(yīng)力作用下的磁性能。采用有限元方法計算了深海電機定子在壓力作用下的應(yīng)力分布，并應(yīng)用應(yīng)力場-電磁場耦合方法計算了電機定子鐵心在深海應(yīng)力作用下的損耗趨勢。仿真和實驗結(jié)果表明，在深海高壓環(huán)境下，壓應(yīng)力會影響硅鋼片的磁性能。隨著壓應(yīng)力的增加，硅鋼片內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，其磁滯回線將向內(nèi)收縮，硅鋼片的磁導(dǎo)率將隨環(huán)境壓力的增加而降低，從而導(dǎo)致電機定子鐵心損耗增加。