《電氣工程學報》吳旭升等工作：非晶合金電機性能分析及銅耗優化

發布日期：2024-05-06 瀏覽次數：2855

2021年兩會，“碳達峰”、“碳中和”寫入政府工作報告，我國力爭在2030年前“碳達峰”，在2060年前實“碳中和”。電機在能源輸出和消耗中有著重要的地位，電機系統用電量占我國工業用電量的2/3，約為全國用電量的60%，低損耗高效率的節能電機仍然是未來電機發展的主要方向。有研究表明：相比傳統硅鋼鐵心的高速開關磁阻電機，非晶合金鐵心電機能夠降低鐵損、提高效率，在額定工作點下，非晶合金方案鐵心損耗僅為B20AT1200硅鋼方案鐵心損耗的24.5%，非晶合金方案的效率比硅鋼方案提高了4%，非晶合金能夠顯著的降低損耗，但是目前大多數研究集中于高頻高速領域，對于中低頻領域的研究相對較為匱乏。因此本文對中低頻非晶合金電機進行相關研究，旨在進一步擴大非晶合金應用領域，助力高性能高效電機發展。

海軍工程大學電氣工程學院吳旭升等針對新型軟磁材料非晶合金在電機中的應用對電機性能影響的問題，測試對比分析了新型軟磁材料與普通硅鋼材料損耗等性能，驗證了其應用于高效電機的可行性，然后對同結構的非晶合金電機和傳統硅鋼電機進行了初步對比分析。相關研究成果于2023年12月在《電氣工程學報》網絡首發。

研究人員選取牌號為1K101的非晶合金和普通低損耗硅鋼20WTG1500兩種材料進行測試（圖1）。測試環樣采用內徑35mm，外徑42mm卷繞環樣，內外徑比為1.2，符合相應國標要求，測試所得兩種材料在同頻率下的磁滯回線（圖2），對比兩種材料磁滯回線可以看出，非晶合金的矯頑力、剩磁和曲線閉合面積均小于普通硅鋼材料。因此新型軟磁材料非晶合金的軟磁性要優于普通硅鋼材料，磁滯損耗要遠低于普通硅鋼材料。根據傳統硅鋼電機設計方法設計一款25kW，1700r/min的正弦波驅動表貼式三相永磁無刷調速電機，永磁體采用平行充磁方式，然后建立定子鐵心材料不同的電機模型（圖3），最后結合有限元仿真分析，對比其工作特性，并根據實際情況對非晶合金電機結構進行適當修正優化。結果表明：非晶合金可以顯著降低電機鐵耗，但是由于材料屬性問題，與普通硅鋼電機相比，同結構的非晶合金電機氣隙磁密較低，導致電機感應電動勢降低（圖4），在電機設計中要綜合考慮非晶合金材料的優缺點，在合適的應用場合非晶合金材料才能體現出較大優勢。可通過適當增加電機鐵心長度與每槽導體數，降低電機銅耗（圖5）。本研究中的非晶合金電機經過優化，其電機銅耗顯著降低，忽略變頻器等附加損耗情況下電機本體效率可達98%，相對于傳統硅鋼電機效率提升1.5%（圖6），有效提高了電機效率，因此在效率為第一考慮因素的領域可優先使用非晶合金材料。研究內容驗證了非晶合金在中低頻領域的應用的可行性，拓展了非晶合金在電機領域的應用范圍，順應全球倡導的節能減排大趨勢，可助力我國“雙碳”事業的發展。

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