摘要：本文首先基于铁磁学基础原理，研究揭示了电工钢应力—磁性能的作用机理与变化规律，设计建立了电工钢应力—磁性能测试平台，并对法平面内的压应力和拉应力条件下的损耗与磁感性能进行了实验测试。在圆柱坐标系下分析了转子离心应力和定子铁心过盈装配应力，推导了铁心应力解析方程并进行仿真分析。研究了引入应力修正系数的磁感和铁耗计算模型，建立基于电工钢力学磁特性的永磁电机计算与设计方法。
关键词：永磁电机；电工钢；铁心应力
1电工钢应力—磁性能实验分析
选取0.35mm厚度无取向电工钢为研究对象，测试分析电工钢在-160～160MPa（在弹性力学中，以拉伸为正值，压缩为负值）应力范围内的损耗和磁感特性。鉴于电机铁心结构和磁场分布沿周向对称的特点，为真实模拟铁心实际工况，测试中采用横向和轧向片各取一片的组样方式，测试结果为横向和轧向电工钢片电磁性能的平均值。
1.1应力—磁感性能分析与实验
造成铁心导磁性能随应力变化的原因可以从磁弹性能和应力退磁两个方面来分析。
一方面，从磁弹性能变化的角度来看，无取向电工钢可看做各向同性的磁体，依据铁磁学理论，当对铁磁性多晶体材料施加单轴应力时，磁化强度方向转向拉力方向，促进了磁化。在加压力情况下，磁弹性能最低。此时磁化强度方向转向和压力垂直的方向，阻碍了磁化，电工钢的导磁性能下降。
另一方面，从应力退磁的角度来讲，应力的作用使晶粒的排列方向与位置发生改变，从而沿着晶面产生磁极，并产生一个与外加磁场相反的退磁场，使得电工钢磁化更为困难，磁导率下降。即电工钢在外加应力条件下会产生应力退磁现象，在压应力条件下，退磁场随应力的增大而直线上升，而在施加拉应力条件下退磁场变化不大。
1.2应力—铁损性能分析与实验
矫顽力和剩磁是软磁材料性能的两个重要评价指标，反映了材料的磁畴结构和自身特性，矫顽力还与材料的反磁化过程紧密相关。矫顽力和剩磁Br的大小直接决定了材料的损耗特性。
在压应力条件下畴壁位移机制占主导作用，矫顽力和磁滞回线面积增大，电工钢铁损值单调上升。在0～20MPa拉应力条件下，反磁化机制主要为畴壁位移机制，此时畴壁钉扎变弱，矫顽力和铁损值下降；当拉应力大于20MPa后反磁化机制主要为磁畴转动机制，电工钢各向异性增大，矫顽力和铁损值增大。
综合不同应力条件下的电工钢磁感与损耗特性，可以看出随着应力的变化电工钢的磁感与损耗特性均发生改变，-40～40MPa范围是磁性能变化的敏感区，在0～20MPa的拉应力作用区间电工钢磁性能有所改善。
2电机铁心应力分析
电机铁心应力的产生有多种原因，其中定子铁心应力主要有冲剪、叠压、机壳过盈装配、铆接、焊接等因素，其中影响区域最大，性能影响最明显的是电机机壳过盈装配所带来的应力；而永磁电机转子应力的主要来源有离心力、电磁力、热应力等，对于车用IPMSM电机来说，由于运行转速较高，以及转子铁心特殊的隔磁结构，离心应力成为其中最主要的影响因素。
2.1定转子铁心应力分析
电机属圆柱类零件，通常采用圆柱坐标系对其进行受力分析。电机机壳过盈装配引起的定子铁心应力为压应力，主要存在于定子铁心轭部，且主应力方向为沿圆周的切向。转子离心力造成的应力为拉应力，存在于整个转子铁心，离心应力最大值出现在电机转子隔磁桥和加强筋处，量值较大。
3铁心应力对电机性能的影响
铁心是电机磁路最主要的功能部件，铁心导磁性能的优劣直接影响到电机磁场分布、转矩、电感量等指标与参数。铁耗和铜耗是电机最大的两个损耗来源，铁心的铁损特性直接影响电机的损耗与效率。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在电工钢应力—心应力计算的基础上，对电机磁场与性能指标进行仿真分析，揭示铁心应力对IPMSM电机的影响规律，提高电机计算与设计精度。
3.1应力对电机磁场的影响
由于应力场的存在，定转子铁心相对磁导率分布均有变化，其中转子铁心和定子齿部的变化较小，定子轭部的相对磁导率变化则非常明显。进一步分析具有代表性位置的磁密变化情况，转子加强筋和隔磁桥由于饱和作用影响，磁密变化不大。而处于定子和电机主磁路位置的区域磁密变化比较明显。可见铁心应力作用对电机磁密分布和磁通量具有一定的影响作用。
3.2应力对铁心损耗的影响
应力对于电工钢损耗的影响机理是源于磁弹性能、应力退磁、畴壁转动磁化机制、畴壁位移机制作用，并不改变电工钢原有的电导率和涡流损耗，因此在中未对涡流损耗项进行修正。
考虑机械应力时，由于电机轭部受到压应力作用，使材料损耗性能恶化，从而明显增加了电机定子轭部的铁耗，其中尤以应力量值最大的齿轭结合区域的铁耗增加最为明显。
电机铁耗增加主要来自于受到压应力作用的定子铁心。而转子铁心则在离心力的作用下处于拉应力状态，对铁心损耗起到了改善作用。
3.3应力对电感量与转矩的影响
应力的存在改变了电机铁心的磁导与损耗性能，进而影响了电机磁路的磁阻与电感参数，以及主磁通与漏磁通量值。
4结论
本文提出一种考虑电机铁心应力—磁性能的永磁电机仿真计算方法。通过实验测试不同应力条件下的电工钢磁性能，以及对IPMSM电机定转子进行应力分析与仿真，探索了基于电工钢力学磁特性的永磁电机仿真计算方法。以一台车用IPMSM驱动电机为对象，仿真比较考虑和不考虑铁心应力—磁性能条件下的电机电磁性能，将仿真结果与样机测试结果对比，得出以下结论：
1）通过机理分析与实验测试，得到无取向电工钢应力—磁性能。其中在压应力以及20MPa以上拉应力条件下电工钢磁感性能下降，铁损值单调增加；而在0～20MPa拉应力条件下电工钢磁感和损耗特性略有改善。
2）推导出圆柱坐标系下基于装配过盈量和电机转速条件的定转子铁心应力解析方程，进而仿真计算定转子铁心应力分布情况，结果表明IPMSM电机转子隔磁桥、加强筋以及定子铁心轭部是主要的应力集中区域，其量值与电机转速和装配过盈量相关。
3）基于应力场计算结果对永磁电机进行电磁性能仿真，结果表明铁心应力的存在对电机磁场、铁心损耗分布、隔磁桥漏磁通以及Ld和Lq均有一定的影响。
4）将实验结果与仿真计算结果对比，考虑铁心应力影响的IPMSM电机转矩和损耗计算值精度更高，更接近实际工况。该方法可有效用于考虑铁心应力的永磁电机精细化设计与计算。
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论文作者:王卫硕
论文发表刊物:《基层建设》2019年第24期
论文发表时间:2019/12/9
标签：应力论文; 铁心论文; 电机论文; 永磁论文; 转子论文; 电工论文; 定子论文; 《基层建设》2019年第24期论文;