电动汽车用永磁同步电机铁心采用非晶合金与硅钢的性能比较

电动汽车用永磁同步电机铁心采用非晶合金与硅钢的性能比较朱健;曹君慈;刘瑞芳;丁宇行
【摘要】电动汽车用驱动电机设计制造工艺日趋成熟,从设计方面考虑电机性能的提升很难再有所突破.非晶合金是一种新型功能材料,具有高导磁率、低损耗及低矫顽力等优点,将其应用于电机定子铁心可以降低定子铁耗从而提高电机效率.为研究电机定子铁心采用非晶合金和硅钢对其性能的影响,本文对两台结构相同、定子铁心分别采用硅钢和非晶合金的永磁同步电机进行性能计算,对比硅钢电机和非晶合金电机的磁通密度分布、铁耗分布.随后对两台电机进行实验,得到硅钢电机和非晶合金电机的效率MAP图.结果表明,在高速区非晶合金电机相比硅钢电机具有铁耗低和效率高的优势,而在低速和大转矩下,其优势较小.
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2018(033)0z2
【总页数】7页(P352-358)
【关键词】非晶合金;永磁同步电机;电动汽车用驱动电机;效率MAP图
【作者】朱健;曹君慈;刘瑞芳;丁宇行
【作者单位】北京交通大学电气工程学院北京 100044;北京交通大学电气工程学院北京 100044;北京交通大学电气工程学院北京 100044;北京交通大学电气工程学院北京 100044
【正文语种】中文
【中图分类】TM351
随着全球能源危机加重，如何降低能源消耗，提升能源利用效率已成为各国关注的焦点[1]。

电动汽车可以实现零排放或近似零排放，能有效解决环境问题和能源危机，成为世界各国积极研讨的课题[2-4]。

永磁同步电机因具有调速性能好、功率密度高、运行较可靠等特性，已被广泛应用于电动汽车，其电机效率也备受关注。

但随着电机频率的上升，电机的损耗会大幅增加，同时带来发热等问题，导致电动汽车续航能力差，安全性能下降，这些问题是由传统硅钢片材料的特性所决定的，因此可以考虑改变电机材料以改善这一情况。

非晶合金材料具有高磁导率、低矫顽力和低损耗特性，它在一些领域正逐步取代传统硅钢片和铁氧体材料，成为一种新型的绿色材料[5]。

中国科学院物理研究所于2005年成功研制出新型非晶合金[6]。

耶鲁大学J. Schroeres等[7]使用金属合金加工和制造非晶合金微纳米，目前非晶
合金已广泛应用于变压器中，并取得很好的效果[8]。

与其他软磁材料相比，非晶
合金材料在高频时铁耗较低，其在高频领域的应用已取得了良好的效果。

例如在变压器上使用非晶合金材料替代传统的硅钢片可以大幅降低铁耗，从而提升效率，节约能源；非晶合金材料也在一部分异步电机上应用，经过参数调整，证明非晶合金应用于异步永磁电机定子铁心可大大降低电机的铁耗并提升电机效率[9]；与此同时，非晶合金材料在电力电子等方面应用也较为成熟。

因而进一步推广非晶合金材料的应用范围，能较好地解决我国能源利用效率低的问题，非晶合金在很多领域已经体现出很高的经济效益。

本文针对电动汽车用永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）中非晶合金材料带来的性能改善展开研究。

针对一台18kW永磁同步电机，制作两台相同结构、不同定子铁心材料的样机，其中一台定子铁心采用普通硅钢片，另外一台采用非晶合金。

对比了两台电机的质量，采用电磁场数值计算方法求解两台电机的空载齿槽转矩、磁通密度分布和铁耗分布，并针对实验样机进行测量。

本文所分析的18kW电动汽车用永磁同步电机基本参数见表1，电机结构如图1所示。

非晶合金也叫做金属玻璃或玻璃金属，它是具备非晶体原子构造的金属合金，是目前世界上一种新兴的高新技术导磁材料。

非晶合金具备许多优良的性能，例如高导磁率、耐蚀性、机械强度高、高电阻率和机电耦合特性等，目前已成为国内外材料科学界的研讨开发重点。

但非晶合金材料也存在着不能忽视的缺陷：硬度过高而且极其脆，加工和切割非常困难；非常薄，其厚度仅为微米级别；填充系数较传统硅钢片低；对机械应力也十分敏感，因而在加工精度高的场合应用困难。

目前全球生产非晶带材较为成功的厂家有美国的Allied Signal公司、日本的Unitika和日立金属公司以及中国的安泰科技股份有限公司和液体金属科技有限公司等。

本文分析的两台电机具有相同的结构，选用不同的定子铁心材料，一台采用非晶合金材料，另外一台采用冷轧硅钢片，型号为DW310-35。

两种材料性能参数见表2。

图2为非晶合金材料和硅钢材料的磁化特性曲线，其中H为磁场强度，B为磁感应强度。

图3为非晶合金材料和硅钢材料分别在50Hz、100Hz、200Hz时的铁耗PFe曲线。

对比两种材料的磁化曲线，可以看出硅钢材料的磁导率低于非晶合金材料，但其饱和磁通密度高于非晶合金材料。

对比两种材料的铁耗曲线，可以看出硅钢材料随着频率的升高，铁耗的增加远大于非晶合金材料。

电动汽车对所用驱动电机的质量和体积有所要求，更轻更小体积的车用驱动电机能更好地迎合汽车厂家的需求，使消费者有更好地体验。

电机定子铁心采用非晶合金后的质量变化备受关注。

表3为非晶合金电机和硅钢电机的质量比较。

从表3中可以看出，相同体积下非晶合金电机的质量得到降低，这是因为非晶合
金的密度低于硅钢的密度，相比于传统硅钢电机，非晶合金电机的总质量减少了约3%。

为了考察电机采用非晶合金材料带来的电机性能的变化，本文采用时步有限元法进行瞬态电磁场分析，电机内磁矢位Az满足的二维电磁场边值问题为
式中，为求解区域；为电机定子外圆和转子内圆边界；为磁导率；为电导率；为时间；为涡流密度；为外加轴向电流密度；x、y分别为求解域内各点的横、纵坐标。

在有限元软件中按照电机实际结构绘制了1/8电机模型，并进行网格剖分，如图4所示。

取空载情况下两台电机的磁通密度分布如图5、图6所示。

在电机定子齿部取一条线，作出数据表格后可以得出非晶合金电机定子齿部最大磁感应强度为1.42T，硅钢电机定子齿部最大磁感应强度为1.40T。

由表2可知非晶合金材料的磁导率远高于硅钢材料，磁导率高说明其导磁性能佳，故在定子齿部非晶合金材料的磁感应强度高于硅钢材料的磁感应强度。

永磁同步电机的齿槽转矩是评估电机性能的重要参数。

齿槽转矩会引起电机的转矩脉动，进而导致速度波动[10]。

转矩脉动还会使电机产生振动和噪声，当转矩脉动的频率与电枢电流谐振频率一致时，会产生共振，势必会放大齿槽转矩的振动和噪声[11]，当齿槽转矩波动严重时会影响电机的定位精度和伺服性能，尤其在低速时影响更为严重[12]。

从图7硅钢电机的齿槽转矩和图8非晶合金电机的齿槽转矩可看出，稳定运行时
非晶合金电机的转矩波动略大于硅钢电机，非晶合金电机的转矩最大值为
7.43N·m，硅钢电机的转矩最大值为7.07N·m。

非晶合金电机较硅钢电机的转矩
最大值高出4.78%左右。

由表2可知非晶合金材料的导磁性能优于硅钢材料，所以非晶合金材料在气隙磁
场中储存的能量大于硅钢材料在磁场中储存的能量，使转子转过相同角度时非晶合金电机中施加的力必然大于硅钢电机。

但由于齿槽转矩主要与电机齿槽和磁极有关，所以定子材料的不同虽然会使齿槽转矩存在差异，但数值相差不会太大。

图9和图10分别为电机处于稳定运行阶段时硅刚电机和非晶合金电机的A相电流。

转速为4 500r/min，非晶合金电机电压为199V，硅钢电机电压为196V，非晶合金电机转矩为39.7N·m，硅钢电机转矩为39.91N·m。

有限元分析可得，硅钢电
机的A相电流有效值为63.01A，非晶合金电机的A相电流有效值为60.3A。

实验数据给出的硅钢电机的相电流为62.4A，非晶合金电机的相电流为59A，两台电
机的相电流相对误差分别为0.96%和2.1%。

在电机稳定运行时，选取t =0.15s时刻的硅刚电机和非晶合金电机的铁耗分布如
图11和图12所示，可以得出非晶合金电机的铁耗值为21.35W，硅钢电机的铁
耗值为338.72W。

其中硅钢电机的色板幅值是非晶合金电机的10倍左右，且硅
钢电机云图相同位置的颜色比非晶合金电机云图深，可以直观地看出非晶合金电机的铁耗远远小于硅钢电机，体现出非晶合金电机低损耗的优异特性。

对两台电机取相同负载转矩170N·m，不同转速500～2 500r/min，共10组工况进行铁耗计算。

两台电机的铁耗随转速的变化如图13所示。

从图中可以看出，随着转速升高，硅钢电机的铁耗增加很快，而非晶合金电机的铁耗随转速变化增加较少。

为验证有限元软件分析计算结果的准确性，对两台定子铁心材料不同的永磁同步电机进行实验测试，搭建实验平台，进行负载实验，并将实验结果与仿真结果进行对比研究。

实验平台如图14所示，给实验电机施加电压激励，通过测功机对电机施加转矩，功率分析仪采集电压、电流等实验数据到测功机控制系统中，实验结果将通过测功机输出。

取4 500r/min转速下两台电机的实验结果与有限元仿真进行对比，见表4。

实验结果表明本文建立的有限元模型有效。

由于仿真和实验过程中均不可避免存在误差，故实验效率较仿真效率高一些。

从表4中可以看出，误差是由电流不同引
起的。

电机效率MAP图又被称为电机云图或电机等高线图，是电机在测试过程中生成的数据曲线图，一般可以体现被测试电机在不同转速、不同负载转矩下效率的分布范围[13]，本文绘制硅钢电机和非晶合金电机的效率MAP图进行比较分析。

图15和图16分别为硅刚电机和非晶合金电机的效率MAP图，在编程时使用的
效率标值都是相同的，即相同颜色代表的效率值相同。

从图中可得出：非晶合金电机的整体效率和最高效率均高于硅钢电机；非晶合金电机的低效率区主要分布在效率MAP图的左上角，而硅钢电机的低效率区分别分布在效率MAP图的左上角、左下角和右下角。

当选取效率值为0.95时，硅钢电机的效率区域范围是：转速在
2 000～4 000r/min范围内，转矩在50～120N·m范围内；而非晶合金电机的效率区域范围是：转速在2 000～6 000r/min范围内，转矩在40～120N·m范围内。

说明非晶合金电机在该效率区域占总区域面积比例大，即非晶合金电机的调速范围较广，用于电动汽车可适应于更加复杂多变的运行状况，更能贴合电动汽车的特点；电机在更高转速8 000r/min左右时，可以看出非晶合金电机的效率仍可保持在0.92左右，而硅钢电机的效率最高能达到0.91，可见在较高转速下非晶合金电机
的铁耗较低、效率高这一优势较为明显。

本文针对两台18kW、定子铁心分别采用硅钢材料和非晶合金材料的永磁同步电机进行分析，建立了有限元分析模型。

通过仿真验证非晶合金电机的铁耗远小于硅钢电机，分析了随着频率变化硅钢电机和非晶合金电机的铁耗变化趋势。

通过对两台电机进行实验测试，证明了有限元模型的合理性和准确性；对比了两台电机的效率MAP图，从图15和图16中可看出非晶合金电机较硅钢电机在高速下效率更高，适用范围更广，用于电动汽车可以适应于更多的工况。

但从图16中也可以看出，
非晶合金电机在低转速、大转矩下存在电机效率较低且效率下降快的问题。

为充分发挥非晶合金材料的优势，对非晶合金电机进行优化设计以进一步提高电机效率，是后续研究的主要内容。

朱健男，1994年生，硕士研究生，研究方向为电机本体及电机的优化设计。

E-mail:****************.cn
刘瑞芳女，1971年生，副教授，博士生导师，研究方向为电磁场数值计算和电
机设计、电机与电力电子系统集成分析。

E-mail:**************.cn（通信作者）
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