《电气工程学报》吴旭升等工作：非晶合金电机性能分析及铜耗优化

发布日期：2024-05-06 浏览次数：2822

2021年两会，“碳达峰”、“碳中和”写入政府工作报告，我国力争在2030年前“碳达峰”，在2060年前实“碳中和”。电机在能源输出和消耗中有着重要的地位，电机系统用电量占我国工业用电量的2/3，约为全国用电量的60%，低损耗高效率的节能电机仍然是未来电机发展的主要方向。有研究表明：相比传统硅钢铁心的高速开关磁阻电机，非晶合金铁心电机能够降低铁损、提高效率，在额定工作点下，非晶合金方案铁心损耗仅为B20AT1200硅钢方案铁心损耗的24.5%，非晶合金方案的效率比硅钢方案提高了4%，非晶合金能够显著的降低损耗，但是目前大多数研究集中于高频高速领域，对于中低频领域的研究相对较为匮乏。因此本文对中低频非晶合金电机进行相关研究，旨在进一步扩大非晶合金应用领域，助力高性能高效电机发展。

海军工程大学电气工程学院吴旭升等针对新型软磁材料非晶合金在电机中的应用对电机性能影响的问题，测试对比分析了新型软磁材料与普通硅钢材料损耗等性能，验证了其应用于高效电机的可行性，然后对同结构的非晶合金电机和传统硅钢电机进行了初步对比分析。相关研究成果于2023年12月在《电气工程学报》网络首发。

研究人员选取牌号为1K101的非晶合金和普通低损耗硅钢20WTG1500两种材料进行测试（图1）。测试环样采用内径35mm，外径42mm卷绕环样，内外径比为1.2，符合相应国标要求，测试所得两种材料在同频率下的磁滞回线（图2），对比两种材料磁滞回线可以看出，非晶合金的矫顽力、剩磁和曲线闭合面积均小于普通硅钢材料。因此新型软磁材料非晶合金的软磁性要优于普通硅钢材料，磁滞损耗要远低于普通硅钢材料。根据传统硅钢电机设计方法设计一款25kW，1700r/min的正弦波驱动表贴式三相永磁无刷调速电机，永磁体采用平行充磁方式，然后建立定子铁心材料不同的电机模型（图3），最后结合有限元仿真分析，对比其工作特性，并根据实际情况对非晶合金电机结构进行适当修正优化。结果表明：非晶合金可以显著降低电机铁耗，但是由于材料属性问题，与普通硅钢电机相比，同结构的非晶合金电机气隙磁密较低，导致电机感应电动势降低（图4），在电机设计中要综合考虑非晶合金材料的优缺点，在合适的应用场合非晶合金材料才能体现出较大优势。可通过适当增加电机铁心长度与每槽导体数，降低电机铜耗（图5）。本研究中的非晶合金电机经过优化，其电机铜耗显著降低，忽略变频器等附加损耗情况下电机本体效率可达98%，相对于传统硅钢电机效率提升1.5%（图6），有效提高了电机效率，因此在效率为第一考虑因素的领域可优先使用非晶合金材料。研究内容验证了非晶合金在中低频领域的应用的可行性，拓展了非晶合金在电机领域的应用范围，顺应全球倡导的节能减排大趋势，可助力我国“双碳”事业的发展。

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