迫札与粒刮应闭２０１５，４２（３） 研究与设计３ ＥＭｃＡ 非晶电机机械性能与电磁特性的数值分析 木 王倩营 ， 李春茂’， 卢俊文 （１．西南交通大学电气工程学院，四川成都６１００３１； ２．中国民用航空飞行学院，四川广汉６１８３０７） 摘要：基于某公司提供的Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１非晶合金材料相关性能参数，利用商用软件Ａｎｓｏｆｌ研究 了非晶合金Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１作为电机定子铁心对电机电磁性能及输出特性的影响。分析了气隙及定子 轭部磁密的时空分布，并与相同结构参数的硅钢Ｄ２３—５０电机进行了对比分析。结果表明，采用非晶合 金Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１定子铁心的三相异步电机相比硅钢Ｄ２３—５０三相异步电机具有以下优势：电机总重 量减少４．Ｏ％，总损耗降低１６．８％，效率提高了１．８％，功率因数提高了０．０１５，起动性能得到了显著 改善。 关键词：非晶合金Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１；三相异步电机；定子铁心；电磁性能 中图分类号ｉ ＴＭ ３４３ ．２文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－６５４０（２０１５）０３－００１３－０４ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ ＷＡＮＧ Ｑｉａｎｙｉｎｇ，ＬＩ Ｃｈｕｎｍａｏ ， Ｊｕｎｗｅｎ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｉｖｉｌ Ａｖｉａｔｉｏｎ Ｆｌｉｇｈｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｇｕａｎｇｈａｎ ６ １ ８３０７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙ Ｍｅｔ甜ａｓ２６０５ＳＡ１ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｃｏｍｐａｎｙ． Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｔａｉｎｓ ｔｈｅ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙ Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ ＳＡ１ ｓｔａｔｏｒ ｃｏｒｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＯＦＴ，ａｉｒ ｇａｐ ｆｌｕｘ ｄｅｎｓｉｔｙ ｗｈｉｃｈ ｖａｒｉｅｓ ｉｎ ｂｏｔｈ ｓｐａｃｅ ｄｏｍａｉｎ ａｎｄ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｔｅｅｌ Ｄ２３—５０ ｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙ Ｍｅｔ ａｓ２６０５ＳＡ１ ｓｔａｔｏｒ ｃｏｒｅ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ，ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｗｅｉｇｈｔ ｈａｓ ４．Ｏ％ｒｅｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ ｔｏｔｌａ ｌｏｓｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ １６．８％，ｔｈｅ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ １．８％，ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ０．０１５，ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｒｅｍａｒｋａｂｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ａｌｌｏｙ ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１；ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；ｓｔａｔｏｒ ｃｏｒｅ； ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒ ０ 引 言 Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１（标准成分为Ｆｅ８０ Ｂ１１ Ｓｉ９）作为三 相异步电机的定子铁心，利用Ａｎｓｏｆｉ有限元分析 非晶合金材料具有高磁导率、小矫顽力、高饱 软件分析了Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ｓＡ１应用于电机定子铁 和磁密、低损耗等优异的软磁性能 Ｊ。人们针对 心的电磁性能和损耗特性，以及电机的输出特性。 非晶合金的制备、热处理、磁性能等进行了大量研 究，并将其广泛应用于变压器、传感器、高频开关 １ Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１非晶合金性能 电源等电气设备中，显示出了巨大的节能优 参数 势＿２ Ｊ。但是目前将非晶合金应用于电机铁心的 基于某公司提供的非晶合金Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１ 研究相对较少。本文采用铁基非晶合金 的相关参数，将其与硅钢Ｄ２３—５０的性能指标比 基金项目：国家自然基金重点项目（Ｕ１２３３２０２） 一１３— 研究与设计ｊ ＥＭＣＡ 较如表１所示，两者的磁化曲线如图１所示。由 表１和图１可看出，非晶合金Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１具 有矫顽力小、电阻率高、厚度薄等优点，虽然其饱 和磁感低于硅钢，但有效磁导率远远高于硅钢，这 对于作为电机的铁心材料非常有优势 Ｊ。但是 其硬度高且极其脆，厚度仅为０．０３ ｍｍ，对机械应 力非常敏感，制造加工难度加大 Ｊ。 表１非晶合金Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１与 硅钢Ｄ２３＿５０性能比较 图１非晶合金Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１与硅钢 Ｄ２３５０的磁化曲线图 ２ 有限元数学模型及电机性能分析 ２．１ 电机电磁场数学模型 在分析和计算电磁场时，为了求出场量与场 源之间的关系，需要引入位函数。在有旋场中，引 入矢量磁位Ａ，与磁感应强度 之间满足： Ｂ＝Ｖ×Ａ （１） 电机求解区域的网格剖分如图２所示。二维 求解区域中，磁场沿轴向均匀分布，即电流密度矢 量ｔ，和矢量磁位Ａ仅有轴向分量．， 和Ａ：。 二维瞬态场求解方程为 迫币乙与控制应闭２０１５，４２（３） 图２电机有限元模型图 ０（ １ ａＡ ￣Ｉ＋ （吉 卜 ＋ ＯＡｚ（２） 式中： ——材料的磁导率； ——介质的电导率。 场域满足边值问题：转子内圆和定子外圆上 矢量磁位为０，即Ａ：ｌ 鸵＝０；１／２模型沿直径方 向的两个边界处矢量磁位相反，即４ ｌ —ＡＢ＝ 一Ａ ｌ历。 ２．２ 电机的铁心损耗理论 电机铁心损耗由磁滞损耗和涡流损耗两部分 组成。磁滞损耗正比于磁滞回线的面积及磁场的 交变频率，如式（３）所示： Ｐｈ＝ｌｑｆ Ｊ ＨｄＢ （３） 式中： ——常数，取决于材料性质； ．厂——磁场的交变频率。 由于非晶合金材料具有矫顽力小、剩磁低的 特点，因而其磁滞回线的面积明显小于硅钢材料， 所以非晶合金材料的磁滞损耗要远小于传统硅钢 片的磁滞损耗。 涡流损耗的计算表达式如下： Ｐ ＝Ｃ。ｆ Ｂ Ｖ （４） 式中：ｃ ——涡流损耗系数，与电阻率成反比； Ｂ ——最大磁密； △——铁磁材料的厚度； 一铁心体积。 涡流损耗与铁磁材料厚度的平方成正比，而 铁基非晶合金的厚度仅为硅钢片的约１／１０。此 外涡流损耗与材料电阻率成反比。由表１可知， 铁基非晶合金的电阻率约为硅钢片的１／３。因此 非晶合金材料的涡流损耗远小于传统硅钢片。 铁基非晶合金的磁导率远远大于硅钢片，因 此可以用较小的励磁电流产生与传统电机相同的 感应电动势，从而显著降低电机绕组的铜耗。 迫扎与控制应用２０１５，４２（３） 研究与设计ｌ ＥＭＣＡ ３ 非晶合金电机与硅钢电机的性能 ４ 非晶合金电机的有限元计算及结 比较 在Ｒｍｘｐｒｔ中建立传统异步电机Ｙ１６０Ｍ－４的 模型，保证电机结构参数和供电电压均相同，仅仅 改变定子铁心的材料，对两种电机进行电磁计算， 获得以下结果。非晶电机与硅钢电机重量比较如 表２所示。 非晶合金电机与传统电机的区别在于其定子 铁心采用非晶合金制作而非传统硅钢片。因此只 需要比较定子铁心重量和总重即可。由表２可看 出相同体积下非晶合金电机的质量明显减少。 表２非晶电机与硅钢电机重量比较 两种电机的各项损耗如表３所示。除了风磨 损耗和杂散损耗外，电机的各项损耗都有大幅 降低。 表３非晶电机与硅钢电机损耗比较 非晶电机与硅钢电机额定运行时各项参数比 较如表４所示。非晶电机的效率提高了１．８％， 功率因数提高了０．０１５。非晶电机用相对较小的 励磁电流即可产生相同的磁动势，从而获得不变 的转矩。 表４非晶电机与硅钢电机额定运行时的参数比较 项目鬻 硅钢Ｄ２３－５０电机８８．７ ０．８４６ ７１．９ １２．６２ ４．５５ ４．７５ Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１ ９０．５ ０．８６１ ７１．９ １２．１６ ３．８３ ４．５８ 非晶电机 果分析 充分考虑电机的绕组方式、定转子开槽及铁 心损耗等的影响，建立三相异步电机的二维瞬 态场分析模型。由于电机电磁场分布具有对称 性，利用二维剖分，仅求解一对极的场域。在 Ｍａｘｗｅｌｌ中对两种电机进行空载运行时的瞬态场 计算。 非晶电机和硅钢电机起动０．００４ ｓ时刻的磁 通密度分布分别如图３（ａ）和图３（ｂ）所示。可以 看出非晶电机定子轭部和转子轭部的磁通密度都 大于硅钢电机，而定转子齿部的过饱和区域相对 较小。这也表明了非晶合金Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１可 以更快地建立磁场，电机的响应较快。～ｌ 盥■＿●■一 ～鎏鋈鎏麓 （ａ）非晶电机 算 （ｂ）硅钢电机 图３电机磁通密度分布 非晶电机在空载运行时气隙磁通密度的径向 和切向分量受到定转子槽配合的影响，均呈现一 定的周期性。一对磁极下的磁密分布如图４所 距离／ｍｍ （ａ）径向磁密 Ｏ・６ ０ ４ ０・２ 暑．。．ｏ： —Ｏ．４ ＿Ｏ・６ —０．８ ０ ３０ ６０ ９Ｏ １２Ｏ １５０ １８０ ２１０ ２４０ ２７０ 距离／ｍｍ （ｂ）切向磁密 图４非晶电机气隙磁密的空间分布 一１５一 研究与设计÷ＥＭＣＡ 示。径向气隙磁密在定子槽口处很小，在定子齿 表面处近似是平的，当该位置同时存在转子槽口 时，径向气隙磁密会产生突变。切向气隙磁密幅 值相对较小，与径向气隙磁密的分布相反，在槽口 处较大，在定子齿处迅速下降为０，其方向在定子 齿的两侧交替变化。 电机气隙磁密的径向分量较大，依据旋转磁 场谐波理论，气隙径向磁密是由无数个磁通密度 波叠加形成的，对其进行谐波分析，基波及各次谐 波的波形和幅值如图５所示，径向磁密沿着气隙 中心线近似呈正弦波形分布，可以看出１７、１９、 ３５、３７次谐波较高。 １・５ １・Ｏ 一 ０．５ ｉ暑０ ｉｉ 西： ０ ａ 盘盘 且 ｍ＾Ｊ 也 ｋ 心 ＡＡ ｝ｌ ９ Ｊ。 Ｊ 一 —０．５ ● Ｏ ５ ０ ５ Ｏ ５ Ｏ ５ ０ ５ 一１．Ｏ 一 ｝ｆ＼ｆ叫 Ｕ ｙ Ｗ —１．５ ０ ２０ ４０ ６０ ８０ １００ １２０ １４０ １６０ １８０ 机械角度 ） （ａ）基波与谐波波形图 谐波次数 （ｂ）基波与谐波幅值 图５气隙径向磁密的傅里叶分析 由以上分析可看出，气隙磁密的主要成分是 径向分量，不仅随空间分布而变化，也随时间而变 化。非晶电机和硅钢电机定子齿表面同一点的径 向磁密随时间的变化如图６所示。二者区别不 大，但是非晶电机起动时达到的最大磁密略小于 硅钢电机。这与两种电机起动时刻的空间磁密分 布不同是一致的。 非晶电机和硅钢电机定子轭部同一点的径向 磁密随时间的变化如图７所示。显然，非晶电机 定子轭部径向磁密大于硅钢电机。 迫札与控制应用２０１５，４２（３） ｌ・５ 畸 暑ｍ０ 一１．。 一１・５ —２．０ ０ １０ ２Ｏ ３Ｏ ４０ ５Ｏ ６Ｏ ７Ｏ ８Ｏ ９０ １００ ｔ／ｍｓ （ａ）非晶电机 ０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ ７０ ８０ ９０ １００ ｔ／ｍｓ （ｂ）硅钢电机 图６径向气隙磁密随时间的变化 巴∞ Ｏ ０ ０ Ｏ ４ ３ ２ ｌ ０ ｌ ２ ３ ４ ５ ０ １０ ２０ ３Ｏ ４０ ５０ ６Ｏ ７０ ８Ｏ ９Ｏ １ＯＯ ｔ／ｍｓ （ａ）非晶电机 ０－３ Ｏ・２ ０・１ 暑ｍ０ 一。．２ 一Ｏ＿３ —０．４ ０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ ７０ ８０ ９０ １００ ｔ［ｍｓ （ｂ）硅钢电机 图７定子轭部某点径向磁密随时间的变化 ５ 结 语 （１）非晶合金Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１应用于电机定 子铁心具有高效节能的优点，使得电机的总损耗 大幅减小，效率提高了１．８％，功率因数提高了 ０．０１５。 （下转第５５页） 迫事乙与控制应用２０１５，４２（３） 新能源与风力发电ｉ Ｅ帅 （上接第１６页） （２）采用非晶合金Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１作为电机 ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６，２５（２）：２８３—２９６． 的铁心材料，可以快速建立磁场，使电机快速达到 ［２］ ＲＹＵＳＵＫＥ Ｈ．ＤＡＩＣＨＩ Ａ．Ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ 稳定运行。 ｍｅｔａ１．ｂａｓｅｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｌＴｌｅｒｓ ｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ （３）非晶合金Ｍｅｔ ａｓ２６０５ＳＡ１使得电机铁损 ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ 和铜损大幅度减小，因而发热现象将得到很大改 Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００８，３２０（２０）：２４５１—２４５６． 善，有利于电机的安全运行。 ［３］ ＷＡＮＧ Ｚ Ｎ，ＲＹＯＳＯ Ｍ，ＳＨＩＧＥＫＩ Ｍ，ｅｔ ａ１． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｎ ａｘｉａｌ ｇａｐ ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ （４）对电机气隙和定子轭部的磁通密度进行 ｍｅｔａｌ ｃｏｒｅｓ『Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ 分析计算，表明非晶电机符合普通三相异步电机 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１１，４７（３）：１２９３—１２９９． 的设计要求。 ［４］ ＲＯＭＡＮ Ｋ，ＫＲＺＹＳＺＴＯＲ Ｋ，ＡＬＥＫＳＡＮＤＲＡ Ｋ Ｂ． 【参考文献】 ｅｔ ａ１．Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｓｏｆｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔａｔｏｒ ｏｆ ａ ｎｏｖｅｌ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ＰＭＢＬＤＣ ｍｏｔｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ ［１］ＤＥＭＳ Ｍ，ＫＯＭＥＺＡ Ｋ，ＷＩＡＫ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ， ２０１３，４９（４）： ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｆｉｅｌｄ—ｃｉｒｃｕｉｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ １３６７，１３７１． ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｓｔａｔｏｒ ｃｏｒｅｓ ［４ ｊ 赵博．ＡＮＳＯＦＴ１２在工程电磁场中的应用［Ｍ］．北 ｍａｄｅ ｆｒｏｍ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｉｒｏｎ［Ｊ］．Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ 京：中国水利水电出版社，２０１０． Ｊｏｕｒｎａｌ ｆｏｒ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ 收稿日期：２０１４～０８—１３ 引领技术发展趋势 报道经典实用案例 反映行业最新动态 一５５—