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責編 葉知秋

圖片來源：非晶中國大數據庫圖庫

編者按：

爲了分析非晶電機鐵心磁特性及其對開關磁阻電動機性能影響，將具有非晶疊塊定子鐵心的電機靜態性能和負載運行性能與硅鋼電機做了對比測試。結果表明，非晶鐵心可提高開關磁阻電動機在高頻下的相電感峯值，並顯著降低電機在高速運轉條件下鐵心損耗及溫升。

近年來，非晶疊塊鐵心製備方法促進了非晶帶材在電機鐵心中的研究與應用。國內外學者陸續將非晶合金鐵心應用於感應電機、永磁電機、開關磁阻電動機等機型，尤其是在高速、高頻應用領域。

開關磁阻電動機定、轉子鐵心均爲凸極結構，且轉子無繞組和永磁材料，適合高速運轉，在航空航天、精密製造和家用電器等高速應用領域得到了廣泛應用。開關磁阻電動機具有獨特的電磁特性，其遵循磁阻最小原理，轉矩與相電感的變化率成正比，鐵心磁通波形爲非正弦波且存在嚴重的局部飽和，其靜態電感特性、磁鏈特性及轉矩特性均與電機定轉子鐵心的磁性能密切相關。因此，系統分析非晶鐵心磁特性及其對開關磁阻電動機性能的影響，可爲電機優化設計與性能提升提供必要的參考數據。

1、實 驗

在鐵心磁性能測試中，採用B-H曲線測試系統測量定子鐵心在不同頻率、不同磁通密度下的磁滯回線及損耗曲線。

在電機靜態測試中，用聯軸器連接分度盤主軸和電機轉子軸，以調整、固定轉子極與定子極的相對位置逐個進行測試。採用精密阻抗分析儀測量某相繞組在不同轉子位置角、不同工作頻率下等效相電感；採用功率電感測試儀測量電機在不同轉子位置角下的相電感-電流曲線，同時測量出相同室溫下的電機繞組的電阻值。

在電機負載運行實驗中，配套的離心風機作爲負載與電機裝配，採用示波器測試不同轉速下的電機相電流脈衝頻率、波形及有效值；採用功率分析儀測試電機負載運行時的輸入功率；採用熱電偶測量定子鐵心外表面溫度並自動記錄溫升曲線。

2、結果與討論

（1）鐵心製備方法

非晶鐵心選用國產1K101帶材，成分爲Fe80Si9B11，帶寬爲142mm。按下述2種加工工藝加工鐵心。

疊塊法：首先將非晶合金帶材剪成80mm長的帶片，然後疊成142 mmX80 mmX30 mm的疊塊，在熱處理爐溫度400℃、氮氣氛圍下保溫90 min。將處理好的疊塊浸入環氧樹脂中浸泡1h，然後在固化爐溫度170℃環境中保溫2h進行固化。最後，採用線切割方式在疊塊中切出定子鐵心衝片槽形。

衝片法：首先將5層非晶帶材按照定子圖紙在衝牀上直接衝成衝片,然後放入退火爐中進行熱處理,在爐溫400℃、氮氣氛圍下保溫90 min。將處理好的衝片疊層碼放在定型工裝內以保持鐵心形狀，再整體放入環氧樹脂浸漆液中浸泡1 h後放入固化爐，在爐溫170℃下保溫2h進行固化，最後拆去工裝並對鐵心表面進行清理和修整。

硅鋼鐵心採用國產牌號35W300的冷軋無取向硅鋼片並採用通用衝片疊鉚工藝製備。

圖1：非晶疊塊鐵心和非晶衝片鐵心

受非晶合金帶材自身薄、硬和脆的特點影響，衝片法制備非晶定子鐵心工藝對沖模及定型工裝精度要求較高，沖模使用壽命短，衝片邊緣有毛刺，易發生脆斷，層間難以實現鉚固定位，熱處理及疊碼定型的效率遠低於傳統的硅鋼衝片疊鉚工藝。相對而言，在疊塊法制備非晶定子鐵心工藝中，疊塊對定型模具精度要求低，其熱處理及浸漆固化工藝簡單高效，後序採用線切割加工可滿足鐵心加工精度要求。

（2）鐵心性能測試

圖2爲採用B-H曲線分析儀測試的非晶衝片鐵心、非晶疊塊鐵心和硅鋼衝片鐵心在50Hz，1kHz下的交流磁化曲線。其中，2種非晶鐵心在2個頻率下的磁化曲線均基本重合，磁導率基本不變。與之相比，硅鋼鐵心在2個頻率下的磁化曲線出現明顯偏離，磁導率隨頻率升高而下降。其次，2種非晶鐵心的飽和磁密均略低於硅鋼鐵心。另外，非晶衝片鐵心在磁導率和飽和磁密性能上略優於非晶疊塊鐵心，更接近於非晶帶材自身的磁性能，這與非晶疊塊鐵心在線切割過程中受到切削應力和局部高溫影響有關。

圖2：非晶鐵心與硅鋼鐵心交流B-H曲線對比

選取3種鐵心在1.0T，50Hz和1kHz 2個頻率下的測試數據繪製其磁滯回線，如圖3所示。非晶衝片鐵心磁滯回線呈現爲陡、窄的特點，非晶疊片鐵心略次之，但硅鋼鐵心則明顯呈現出緩、寬的特點，其磁滯回線形狀在1kHz下的寬度較50Hz下顯著增大。磁滯回線所包圍的面積表示鐵心一個磁滯循環所需要的能量，即鐵心損耗。因此,與硅鋼鐵心相比，非晶鐵心的低損耗特性在高頻下的表現會尤爲突出。

圖3：非晶鐵心與硅鋼鐵心磁滯回線對比

圖4爲1kHz條件下3種鐵心損耗曲線。與圖3中對比可看出，在1.0T時，硅鋼鐵心損耗值約爲100 W/kg，約爲非晶鐵心損耗的10倍以上；非晶衝片鐵心損耗略低於非晶疊塊鐵心，分別爲5.5W/kg和8.0W/kg。除加工應力和局部高溫影響外，非晶疊塊鐵心切割面處的材料在線切割過程中發生層間粘連而導致渦流損耗增大，也是造成其損耗較衝片鐵心較高的原因之一。

圖4：3種鐵心在1kHz 頻率下損耗測試曲線

（3）電機靜態特性測試

選擇疊塊法制備的非晶鐵心進行繞線並裝配成非晶電機，如圖5所示。同時，另外一臺採用傳統衝鉚法制備的硅鋼鐵心的硅鋼電機進行對比測試。兩種電機具有相同的結構及繞組參數，轉子均採用硅鋼鐵心。

圖5：具有非晶疊塊定子鐵心的開關磁阻電動機

圖6爲非晶電機和硅鋼電機的等效相電感曲線簇，測試頻率50Hz，1kHz，2kHz。由於轉子爲不均勻氣隙結構，電機相電感在108°轉子角位置處達到峯值，且在0和180°轉子角處達到最小值。在3個測試頻率下，非晶電機的相電感峯值均高於硅鋼電機。另外，非晶電機和硅鋼電機的相電感峯值均隨測試頻率升高而下降，但硅鋼電機相電感峯值下降趨勢更明顯，此結果與非晶材料在高頻下保持較高磁導率而硅鋼材料磁導率顯著下降的特點是一致的。

圖6：非晶電機和硅鋼電機相電感曲線

（4）電機負載運行試驗

鐵心損耗和繞組電阻損耗所產生的熱量是造成電機溫升的主要原因。當非晶電機和硅鋼電機以相同轉速拖動離心風機運行在較小相電流區間時，電機鐵心均處於未飽和狀態，2種電機繞組電流脈衝的頻率和有效值基本相同，兩者的銅耗計算值基本相同，如表1所示。

表1：非晶電機和硅鋼電機負載運行參數

圖7爲實測的2種電機在2種轉速負載運行時的定子鐵心外表面溫度變化曲線。

圖7：非晶電機和硅鋼電機定子鐵心溫升曲線

可以看出，在30000 r/min轉速下，非晶電機鐵心溫升曲線斜率顯著低於硅鋼電機，在400s時兩者溫度分別升至48°和64°；在15000 r/min轉速下，非晶鐵心與硅鋼鐵心溫升速率差距減小，在480s時，兩者溫度分別爲36°和40°。溫升測試曲線對比結果與電機輸入功率對比結果基本一致。可見，非晶鐵心的低損耗特性可明顯降低電機溫升，且在高速下的效果更佳顯著。

3、結 語

用疊塊法和衝片法制備出了非晶定子鐵心，並與硅鋼鐵心的進行對比測試。結果表明，非晶鐵心具有優良的高磁導率、低損耗特性，但受浸漆與疊壓應力影響，非晶鐵心的疊壓係數均低於硅鋼鐵心。另外，受加工應力、切口質量及局部高溫影響，非晶衝片鐵心的磁性能略優於非晶疊塊鐵心。非晶鐵心的高磁導率特性有利於提高開關磁阻電動機的相電感峯值，其低損耗特性可顯著降低電機鐵心損耗及溫升，尤其是在高速、高頻工況下。

文章來源：微特電機 2018年第46卷第8期 李立軍 盧志超 李山紅 李準 李廣敏 李德仁《高速開關磁阻電動機用非晶定子鐵心及磁性能》