武钧
麦格磁电科技（珠海）有限公司
摘要：近年来，随着我国经济的快速发展和科技水平的不断提升，机械电机性能有了很大的提升。永磁同步电机是目前主流的电动汽车驱动电机，其主轴、导线、壳体、硅钢片、永磁体等均为高价值部件。电动汽车用永磁同步电机再制造将是亟待解决的问题。电动汽车用永磁同步电机具有高转速、高效率、高功率密度、高可靠性的特点，导致再制造能效提升难。
关键词：非晶合金；定子；电机；硅钢片；概念车；节能
引言
电动汽车的研制成为汽车发展的必然趋势，电动汽车的关键技术之一是电机技术。将非晶合金材料应用在电机定子铁芯上，对其损耗和磁通密度脉动进行研究和分析，得知非晶合金定子电机损耗小于硅钢片电机，磁通密度脉动稳定性好于硅钢片。通过装在概念车测试，非晶合金电机概念车的续航里程比硅钢片电机的长，驾驶员感觉非晶合金电机的平稳性好些。
1概述
近年来，随着能源危机和环境问题的日趋严重，各国都积极寻找高效节能的电力设备，以使电能的使用效率达到最大。非晶合金电机具有损耗低、效率高、可以在高频高速下良好运转的优点，是电机技术的一种新选择。非晶合金在电力变压器领域的应用非常成功，使电力变压器空载损耗降低了70%以上。采用非晶合金制作电机铁心，可使铁心损耗和温升大幅降低。当电机工作于几百至几千赫兹时，铁基非晶合金是更为理想的电机铁心材料，其性能明显优于硅钢片。全球范围内电机的用电量占整个工业用电量的70%左右，非晶合金如果被成功应用于电机领域，那么将会带来更加显著的节能效果和巨大的经济价值。
2非晶合金性能分析
2.1损耗分析
对硅钢片定子铁芯和非晶合金的损耗随频率变化可得，两种材料定子铁芯的损耗都是随着频率的增大而增加，但两种材料曲线的上扬趋势是不一样的。两种材料频率在0～100Hz区间内定子铁芯的损耗差别不大，不同的材料不同的磁通密度为1.0T下稍有些不同，硅钢片定子铁芯损耗略大于非晶合金材料。硅钢片定子铁芯在100～1000Hz这个区间，不同的磁通密度如0.6T、0.8T和1.0T损耗是不一样的，随着磁通密度的增加损耗也在增大。对于同一磁通密度的定子铁芯随着频率的增大损耗是急剧增大的。非晶合金定子铁芯也是如此。对于这两种材料在同一磁通密度情况下，随着频率的增加，硅钢片定子铁芯损耗越来越比非晶合金的大。非晶合金定子铁芯损耗降低的程度高达59%。由此可见，若将非晶定子铁芯应用在高速电机上，可降低铁芯损耗，减少能量损失。
2.2磁通密度脉动分析
永磁电机磁通密度分布处于完整的正弦曲线状态下，会使电机运转平稳，不会造成电机的振动和负载设备损伤。但如果磁通密度并非是完整的正弦曲线分布，将会导致脉动转矩增大、起动电流增大，使车身振动造成电机总成损坏。利用软件对对非晶合金电机和硅钢片电机进行有限元分析，当频率f=50Hz时，非晶合金电机磁通密度幅值为1.13T，硅钢片电机的磁通密度幅值为1.08T，非晶合金比硅钢片电机的磁通密度幅值高0.05T。两种电机磁通密度的幅值经过计算，非晶合金电机的磁通密度基值为1.07T，硅钢片电机的磁通密度基值为1.02T，非晶合金电机的磁通密度基值大于硅钢片电机的磁通密度基值，证明非晶合金电机扭矩比硅钢片电机的大。另外，非晶合金电机的磁通密度波形畸变率为28%，硅钢片的畸变率为30%，经过计算验证，非晶合金电机的磁通密度波形更加接近完整的正弦曲线分布，满足电机运行平稳的要求。
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3非晶合金电机应用难题与关键技术
3.1非晶合金电机铁心材料的选择
目前，软磁材料有以下4类，分别是铁基非晶合金、铁镍基非晶合金、钴基非晶合金和铁基纳米晶合金。其中铁基非晶合金饱和磁感明显高于其他3类非晶材料，但略低于硅钢，其有效磁导率明显高于硅钢，适用于50~10×103Hz的频率范围，价格较为便宜。铁镍基非晶合金磁导率很高，但是饱和磁感不高，高频下损耗降低效果不理想，加工和热处理工艺复杂，价格昂贵。钴基非晶合金的磁导率很高，磁致伸缩系数近乎为0，软磁性能非常优异，机械强度也较好，但是饱和磁感较低，且由于含有钴元素，成本和价格较高。纳米晶合金具有高的饱和磁感和磁导率，损耗很低，综合磁性能非常优异，且成本低廉，但是其在热处理后非常脆，将其制造成电机的多槽铁心难度很大。理想的电机铁心材料应该具有高的饱和磁感和磁导率，以及低的损耗。目前在非晶合金电机的实际生产中采用的是Metglas2605SA1(标准成分为Fe80B11Si9)、Metglas2605SC(标准成分为Fe81B13.5Si3.5C2)以及Metglas2605Co(标准成分为Fe67Co18B14Si1)，这些材料均为铁基非晶合金。纳米晶合金FinemetFT-3M（标准成分为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9）也被应用于电机的生产中。
3.2非晶合金电机的控制
非晶合金电机的工作频率一般设计在500~2000Hz，由于高频高速的原因，电机变频器的谐波问题尤为严重，高频谐波导致电机温升增大，损耗增加，降低了电机的效率，缩短了其使用寿命。需要设计高速电机专用的变频器和滤波器，以减小供电系统的谐波。电机高速运转时，复杂的控制算法由于计算时间较长，难以保证闭环控制的快速性和准确性，因此需要研究针对高速电机的切实有效的控制策略，更好地实现非晶合金电机的闭环控制。
4两种材料电机在概念车上应用及试验结果说明
将非晶合金定子电机以及硅钢片电机先后安装到概念车上进行测试，测试道路为平坦的沥青路面，风速小于2m/s。在其条件下测试各十次，平均速度均为25km/h。采用非晶合金定子电机概念车续航里程比硅钢片电机的长，这就是非晶合金定子损耗比硅钢片定子损耗高所致。另外，驾驶员感觉采用非晶合金电机运行的平稳性好些。
5总结与展望
面对日益严重的能源危机，研究发展高效节能的非晶合金电机将是一种趋势。非晶合金电机在发电机、航空仪器、军事设备、交通工具等众多领域都有着广阔的潜在市常对于非晶合金电机的研究，除了要注意到其优异的磁性能、高效率、低损耗的优点外，也必须充分考虑其难于切割和加工的特点，因此，需要从以下几个方面开展进一步的研究工作：①探索非晶合金在小型高速电机中的设计及应用。②优先考虑将非晶合金应用于永磁同步电机和异步电机，对电机电磁部分重新进行优化设计。③研究将非晶合金应用于电机转子以降低转子铁心损耗。④探索非晶材料的切割和加工工艺。⑤探讨非晶合金磁性能与机械特性的最佳匹配，得到具有良好磁性能和机械性能的优质电机材料。⑥注重降低非晶合金的成本。⑦非晶合金尤其适用于高速电机，工作频率较高，因此需要研究高速电机的控制电路以使电机性能达到最佳。
结语
本项目仅从上述几个方面进行了分析与研究，有必要继续在其他方面进行扩展研究与分析。同时，概念车测试是整体测试，其他因素也影响着概念车的续航里程，因此，在测试方面仍需要完善和加强，为深入分析和研究非晶合金材料在电机上的应用打下较为完整的基矗
参考文献
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[2]冷建伟,刘婷,李俊芳.传统电机和新型非晶电机性能的仿真对比[J].化工自动化及仪表,2011(9).
[3]王晓军，陈学定，夏天东，等.非晶合金应用现状［J］.材料导报，2006，20(10)：75-79.
论文作者:武钧
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
标签：合金论文; 电机论文; 硅钢片论文; 定子论文; 密度论文; 永磁论文; 材料论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文;