朱龍飛,　朱建國,　佟文明,　韓雪巖

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 國家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心 電氣工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870；2.悉尼科技大學(xué) 電氣機(jī)械和機(jī)電系統(tǒng)學(xué)院,澳大利亞 悉尼 2007)

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過盈配合對(duì)非晶合金電機(jī)鐵耗影響的實(shí)驗(yàn)研究

朱龍飛1,朱建國2,佟文明1,韓雪巖1

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 國家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心 電氣工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870；2.悉尼科技大學(xué) 電氣機(jī)械和機(jī)電系統(tǒng)學(xué)院,澳大利亞 悉尼 2007)

為了研究過盈配合加工對(duì)非晶合金永磁電機(jī)鐵耗的影響，采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試了多種過盈量時(shí)非晶合金材料的損耗特性，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。給出了考慮過盈配合加工的非晶合金電機(jī)鐵耗計(jì)算方法，并通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)鐵耗計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，進(jìn)而分析了不同過盈量時(shí)非晶合金電機(jī)鐵耗的變化規(guī)律。結(jié)果顯示，過盈配合加工會(huì)導(dǎo)致非晶合金材料渦流損耗增加，非晶合金電機(jī)軛部損耗增加、溫升升高、效率降低。在非晶合金電機(jī)定子鐵心裝配時(shí)應(yīng)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(jī)；鐵耗；實(shí)驗(yàn)研究

0　引　言

非晶合金材料具有單片薄、電阻率大等優(yōu)點(diǎn)，其損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)硅鋼片材料，采用非晶合金材料代替硅鋼片制造電機(jī)鐵心可有效降低電機(jī)的鐵心損耗[1-4]。但是非晶合金材料損耗性能受應(yīng)力影響十分嚴(yán)重，電機(jī)鐵心加工過程中疊壓、過盈配合等環(huán)節(jié)都會(huì)在非晶合金鐵心內(nèi)部引入應(yīng)力，導(dǎo)致材料損耗性能惡化。在設(shè)計(jì)非晶合金電機(jī)時(shí)，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(dǎo)致非晶合金電機(jī)設(shè)計(jì)失敗。因此，研究加工工藝對(duì)非晶合金材料損耗性能的影響對(duì)非晶合金電機(jī)的合理設(shè)計(jì)是十分必要的。

疊壓加工會(huì)在非晶合金鐵心內(nèi)部引入疊壓力，導(dǎo)致片間絕緣損壞。過盈配合加工會(huì)在鐵心軛部引入壓緊力，導(dǎo)致軛部非晶合金材料晶格發(fā)生變化。這兩種加工均會(huì)導(dǎo)致非晶合金材料損耗性能變壞。國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)疊壓加工引起的非晶合金損耗性能變化進(jìn)行了深入研究[5-7]，并取得了一些結(jié)論。對(duì)于過盈配合加工的影響，只有很少數(shù)文獻(xiàn)介紹了硅鋼片鐵心損耗受過盈配合加工的影響[8-9]。文獻(xiàn)[8]以一個(gè)齒為研究對(duì)象，測(cè)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(xiàn)[9]在鐵心軛部放置測(cè)試線圈，分析了過盈配合后電機(jī)軛部的損耗，但無法分析多種過盈量下?lián)p耗的變化規(guī)律。而有關(guān)過盈配合加工對(duì)非晶合金電機(jī)鐵耗影響的文章更是鮮有報(bào)道。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方法，并測(cè)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(shí)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(guī)律。給出了考慮過盈配合影響的非晶合金電機(jī)鐵耗計(jì)算方法，并利用樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)比分析了采用不同過盈量時(shí)非晶合金電機(jī)鐵耗的分布規(guī)律。

1　實(shí)驗(yàn)方法

1.1非晶合金鐵心試樣

實(shí)驗(yàn)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(chǎn)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(jī)殼內(nèi)，如圖2所示。利用虎鉗調(diào)整機(jī)殼狹縫大小來調(diào)整機(jī)殼內(nèi)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(shí)驗(yàn)線路及方法

圖3為非晶合金損耗性能試驗(yàn)原理，正弦波電源與電網(wǎng)連接，可產(chǎn)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(lì)線圈和測(cè)試線圈，兩者的匝數(shù)比為40/10。激勵(lì)線圈與正弦波電源和數(shù)字功率表連接，為非晶合金鐵心試樣提供磁通的同時(shí)測(cè)試激勵(lì)線圈的輸入功率。測(cè)試線圈與示波器和數(shù)字功率表連接，通過測(cè)試線圈的反電動(dòng)勢(shì)折算出鐵心試樣的磁通密度。具體的實(shí)驗(yàn)線路如圖4所示。

圖3　實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.3　Experimental principle diagram

在測(cè)量非晶合金鐵心試樣損耗時(shí)，調(diào)節(jié)正弦激勵(lì)源給鐵心勵(lì)磁，記錄測(cè)試線圈的反電動(dòng)勢(shì)、激勵(lì)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(jī)運(yùn)行頻率)下測(cè)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(shí)非晶合金鐵心試樣的損耗曲線。

圖4　實(shí)驗(yàn)線路圖Fig.4　Experimental system

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5所示為不同過盈量時(shí)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(cè)試的非晶合金鐵心損耗也相應(yīng)增加。由此說明過盈配合會(huì)導(dǎo)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(yán)重。

2.2過盈配合引起的鐵心損耗增長(zhǎng)率

基于2.1節(jié)的測(cè)試結(jié)果，進(jìn)一步研究了隨過盈量增加非晶合金材料的損耗增長(zhǎng)率，如圖6所示(以1.0 T時(shí)非晶合金鐵心的損耗測(cè)試結(jié)果為例進(jìn)行分析)。

由圖6可以看出，當(dāng)過盈量為0.02、0.05和0.1 mm時(shí)，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(shì)，但增速明顯變緩。

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

圖6　不同過盈量時(shí)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(zhì)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(shù)，ke為渦流損耗系數(shù)，該系數(shù)可通過非線性回歸電工鋼片帶材損耗曲線計(jì)算得出。

為了探究過盈配合對(duì)上述兩種損耗的影響規(guī)律，基于式(1)、式(2)，并借助非線性回歸的方法將2.1節(jié)中的損耗測(cè)試結(jié)果按磁滯損耗和渦流損耗進(jìn)行分離，分離結(jié)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(shì)十分明顯。同樣以1.0 T為例對(duì)圖7中的損耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出不同過盈量時(shí)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(shí)鐵心損耗分離Fig.7　Separation of the core loss with varietal shrink ranges

損耗性質(zhì)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(zhì)，且過盈量越大，渦流損耗密度增加越多。

3　過盈配合對(duì)非晶合金電機(jī)鐵耗的影響

3.1鐵心損耗計(jì)算方法

將2.3節(jié)中式(1)和式(2)整合，即為工程上常用的鐵心損耗計(jì)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(shù)將無法考慮鐵心加工、諧波以及旋轉(zhuǎn)磁化引起的鐵耗。因此，本文采取的方法是利用2.1節(jié)中加工后的非晶合金鐵心的損耗測(cè)試結(jié)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(shù)，如表2所示。

表2　加工后非晶合金鐵心的損耗系數(shù)

圖8對(duì)比了不同過盈量時(shí)利用式(3)以及表2中的系數(shù)計(jì)算的非晶合金鐵心損耗密度和實(shí)測(cè)的鐵心損耗密度，可以看出計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相符性良好。

圖8　計(jì)算損耗曲線與實(shí)測(cè)損耗曲線對(duì)比Fig.8　Comparison of calculated loss curves and measured loss curves

對(duì)于鐵心軛部旋轉(zhuǎn)磁化相對(duì)于交變磁化引起的損耗差異，朱建國教授利用旋轉(zhuǎn)磁化測(cè)量?jī)x器對(duì)硅鋼片在旋轉(zhuǎn)磁化條件下的損耗進(jìn)行了測(cè)量。在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用非線性擬合的方法建立了旋轉(zhuǎn)磁化模型[10]，并提出了考慮旋轉(zhuǎn)磁化的鐵心損耗計(jì)算方法，實(shí)驗(yàn)證明該方法具有較高計(jì)算精度[11]。但該旋轉(zhuǎn)磁化測(cè)量?jī)x器十分稀有，實(shí)驗(yàn)成本較高，很難被廣泛應(yīng)用。B.Stumberger等人提出了正交分解的旋轉(zhuǎn)磁化鐵耗等效計(jì)算方法[12]，由于其計(jì)算簡(jiǎn)便且誤差可以滿足工程精度的要求，得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)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(yīng)的頻率代入到式(3)中計(jì)算后代數(shù)相加[13-14]。由此，計(jì)及加工、旋轉(zhuǎn)磁化、諧波因素影響的非晶合金定子鐵心損耗計(jì)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(shù)；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(jī)鐵耗計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以一臺(tái)2.1 kW非晶合金永磁電機(jī)為例，樣機(jī)參數(shù)見表3，計(jì)算了其在200 Hz頻率下空載鐵耗，并在同頻率下對(duì)電機(jī)空載鐵耗進(jìn)行了測(cè)試。圖9具體分析了無過盈和0.02 mm過盈量時(shí)鐵耗的組成部分，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。由于樣機(jī)是表貼式結(jié)構(gòu)，忽略了鐵耗中轉(zhuǎn)子損耗分量，永磁體渦流損耗直接利用三維有限元進(jìn)行分析，且樣機(jī)的機(jī)械損耗是利用假轉(zhuǎn)子方法進(jìn)行分離的。

表3　非晶合金永磁電機(jī)性能指標(biāo)

圖9　鐵耗分析與實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shù)據(jù)計(jì)算的鐵耗值更接近實(shí)驗(yàn)值。

3.3過盈量對(duì)電機(jī)鐵耗影響分析

為了分析不同過盈量對(duì)非晶合金電機(jī)鐵耗的影響，利用有限元方法分析了不同過盈量時(shí)電機(jī)鐵心損耗的分布規(guī)律，如圖10所示。

從圖10中可以看出，隨著過盈量的增加，電機(jī)軛部損耗增加嚴(yán)重，這將有可能導(dǎo)致電機(jī)鐵心溫升值上升，電機(jī)效率降低等問題。因此，對(duì)于非晶合金材料的定子鐵心，應(yīng)盡量采用較小過盈量的鐵心-機(jī)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(jī)鐵心損耗分布Fig.10　Iron loss distributions of amorphous alloy motor core

4　結(jié)　論

本文利用實(shí)驗(yàn)方法實(shí)測(cè)了不同過盈量時(shí)非晶合金鐵心的損耗密度曲線，并對(duì)損耗性質(zhì)進(jìn)行了分析?；趽p耗測(cè)試結(jié)果分析了一臺(tái)2.1 kW非晶合金電機(jī)的鐵耗，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。借助有限元方法分析了不同過盈量時(shí)電機(jī)鐵心損耗的分布規(guī)律。結(jié)果顯示：

1)過盈配合會(huì)導(dǎo)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(shì)；

2)過盈配合加工引起的主要損耗增量為渦流損耗性質(zhì)；

3)采用與電機(jī)相同過盈量的非晶合金鐵心損耗測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算出的電機(jī)鐵耗更接近實(shí)驗(yàn)值；

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

[1]JOHNSON L A,CORNELL E P,BAILEY D J,et al.Application of low loss amorphous metals in motors and transformers[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1982,101(7):2109-2114.

[2]DEMS M,KOMEZA K.Performance characteristics of a high-speed energy-saving induction motor with an amorphous stator core[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2014,61(6):3046-3055.

[3]FAN Tao,LI Qi,WEN Xuhui.Development of a high power density motor made of amorphous alloy cores[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2014,61(9): 4510-4518.

[4]李廣敏,李德仁,倪曉俊，等.用于電機(jī)定子的新型非晶材料鐵芯的研究[J].功能材料與器件學(xué)報(bào),2012,18(3):232-237.

LI Guangmin,LU Zhichao,NI Xiaojun,et al.Study of novel amorphous core used for motor stator[J].Journal of Functional Materials and Devices,2012,18(3):232-237.

[5]CHIBA A,HAYASHI H,NAKAMURA K,et al.Test results of an SRM made from a layered block of heat-treated amorphous alloys[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2008,44(3): 699-705.

[6]DERLECKI S,KUSMIEREK Z,MARIA D,et al.Magnetic properties of amorphous materials used as corps of electric machines[J].Electrical Review,2012,88(5a): 10-13.

[7]朱龍飛，朱建國，佟文明，等．非晶合金永磁同步電機(jī)空載損耗[J]．電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2015，19(7)：19-26．

ZHU Longfei，ZHU Jianguo，TONG Wenming，et al．Study on no-load losses of permanent magnet synchronous motor with amorphous alloy stator core[J]．Electric Machines and Control，2015，19(7)：19-26．

[8]MIYAGI D,MAEDA N,OZEKI Y,et al.Estimation of iron loss in motor core with shrink fitting using FEM analysis[J].IEEE Transactions on Magnetics,2009,45(3):1704-1707.

[9]TAKAHASHI N,MORIMOTO H,YUNOKI Y,et al.Effect of shrink fitting and cutting on iron loss of permanent magnet motor[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2008,(320):925-928.

[10]ZHU Jianguo.Improved formulations for rotational core losses in rotating electrical machines[J].IEEE Transactions on Magnetics,1998,34(4): 2234-2242.

[11]黃允凱,胡虔生,朱建國.顧及旋轉(zhuǎn)鐵耗的高速爪極電機(jī)三維磁熱耦合分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2010,25(5): 54-60.

HUANG Yunkai,HU Qiansheng,ZHU Jianguo.Magneto-thermal analysis of a high-speed claw pole motor considering rotational core loss[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010,25(5): 54-60.

[12]STUMBERGER B,HAMLER A,GORICAN V,et al.Accuracy of iron loss estimation in induction motors by using different iron loss models[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2004,(272-276):1723-1725.

[13]孔曉光,王鳳翔,邢軍強(qiáng).高速永磁電機(jī)的損耗計(jì)算與溫度場(chǎng)分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(9):166-173.

KONG Xiaoguang,WANG Fengxiang,XING Junqiang.Losses calculation and temperature field analysis of high speed permanent magnet machines[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27(9):166-173.

[14]STEENTJES S,PFINGSTEN G,HOMBIZER M,et al.Iron-loss model with consideration of minor loops applied to FE-Simulations of electrical machines[J].IEEE Transactions on Magnetics,2013,49(7): 3945-3948.

(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(jì)劃項(xiàng)目(2013BAE08B00)；國家自然科學(xué)基金(51307111)；遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(L2013049)

朱龍飛(1988—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制；

朱建國(1958—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姽ご判圆牧虾托滦碗婒?qū)動(dòng)系統(tǒng)；

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?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制；

韓雪巖(1978—)，女，博士，副教授，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制。