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《電氣工程學(xué)報(bào)》吳旭升等工作：非晶合金電機(jī)性能分析及銅耗優(yōu)化

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期：2024-05-06  瀏覽次數(shù)：3053
2021年兩會(huì)，“碳達(dá)峰”、“碳中和”寫入政府工作報(bào)告，我國(guó)力爭(zhēng)在2030年前“碳達(dá)峰”，在2060年前實(shí)“碳中和”。電機(jī)在能源輸出和消耗中有著重要的地位，電機(jī)系統(tǒng)用電量占我國(guó)工業(yè)用電量的2/3，約為全國(guó)用電量的60%，低損耗高效率的節(jié)能電機(jī)仍然是未來(lái)電機(jī)發(fā)展的主要方向。有研究表明：相比傳統(tǒng)硅鋼鐵心的高速開關(guān)磁阻電機(jī)，非晶合金鐵心電機(jī)能夠降低鐵損、提高效率，在額定工作點(diǎn)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(shù)研究集中于高頻高速領(lǐng)域，對(duì)于中低頻領(lǐng)域的研究相對(duì)較為匱乏。因此本文對(duì)中低頻非晶合金電機(jī)進(jìn)行相關(guān)研究，旨在進(jìn)一步擴(kuò)大非晶合金應(yīng)用領(lǐng)域，助力高性能高效電機(jī)發(fā)展。

海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院吳旭升等針對(duì)新型軟磁材料非晶合金在電機(jī)中的應(yīng)用對(duì)電機(jī)性能影響的問題，測(cè)試對(duì)比分析了新型軟磁材料與普通硅鋼材料損耗等性能，驗(yàn)證了其應(yīng)用于高效電機(jī)的可行性，然后對(duì)同結(jié)構(gòu)的非晶合金電機(jī)和傳統(tǒng)硅鋼電機(jī)進(jìn)行了初步對(duì)比分析。相關(guān)研究成果于2023年12月在《電氣工程學(xué)報(bào)》網(wǎng)絡(luò)首發(fā)。

研究人員選取牌號(hào)為1K101的非晶合金和普通低損耗硅鋼20WTG1500兩種材料進(jìn)行測(cè)試（圖1）。測(cè)試環(huán)樣采用內(nèi)徑35mm，外徑42mm卷繞環(huán)樣，內(nèi)外徑比為1.2，符合相應(yīng)國(guó)標(biāo)要求，測(cè)試所得兩種材料在同頻率下的磁滯回線（圖2），對(duì)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(yōu)于普通硅鋼材料，磁滯損耗要遠(yuǎn)低于普通硅鋼材料。根據(jù)傳統(tǒng)硅鋼電機(jī)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)一款25kW，1700r/min的正弦波驅(qū)動(dòng)表貼式三相永磁無(wú)刷調(diào)速電機(jī)，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(jī)模型（圖3），最后結(jié)合有限元仿真分析，對(duì)比其工作特性，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)非晶合金電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)修正優(yōu)化。結(jié)果表明：非晶合金可以顯著降低電機(jī)鐵耗，但是由于材料屬性問題，與普通硅鋼電機(jī)相比，同結(jié)構(gòu)的非晶合金電機(jī)氣隙磁密較低，導(dǎo)致電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)降低（圖4），在電機(jī)設(shè)計(jì)中要綜合考慮非晶合金材料的優(yōu)缺點(diǎn)，在合適的應(yīng)用場(chǎng)合非晶合金材料才能體現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì)。可通過適當(dāng)增加電機(jī)鐵心長(zhǎng)度與每槽導(dǎo)體數(shù)，降低電機(jī)銅耗（圖5）。本研究中的非晶合金電機(jī)經(jīng)過優(yōu)化，其電機(jī)銅耗顯著降低，忽略變頻器等附加損耗情況下電機(jī)本體效率可達(dá)98%，相對(duì)于傳統(tǒng)硅鋼電機(jī)效率提升1.5%（圖6），有效提高了電機(jī)效率，因此在效率為第一考慮因素的領(lǐng)域可優(yōu)先使用非晶合金材料。研究?jī)?nèi)容驗(yàn)證了非晶合金在中低頻領(lǐng)域的應(yīng)用的可行性，拓展了非晶合金在電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，順應(yīng)全球倡導(dǎo)的節(jié)能減排大趨勢(shì)，可助力我國(guó)“雙碳”事業(yè)的發(fā)展。

特別提示：本信息由相關(guān)企業(yè)自行提供，真實(shí)性未證實(shí)，僅供參考。請(qǐng)謹(jǐn)慎采用，風(fēng)險(xiǎn)自負(fù)。


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