基于非晶合金的永磁电机优化

贾权标

摘  要：本文基于笔者的研究成果，首先对当前非晶合金轴向磁通永磁电机的应用问题进行了分析，然后基于设计要求对非晶合金轴向磁通永磁电机进行了重新设计。

关键词：损耗构成;轴向磁通;非晶合金

一、序言

伴随着当前材料学的发展，越来越多的新型材料被应用到了永磁电机的设计与制造之中。非晶合计材料是一种新型材料，其在非晶合金轴向磁通永磁电机设计的研究过程中能够充当定子铁心，因为该种材料具有在高频环境下对铁心涡流损耗抑制明显的特性。但同时材料本身有着薄、脆等特点，使之加工方式与传统的硅钢电机完全不同。本文对非晶合金轴向磁通永磁电机进行设计，对非晶合金材料在永磁电机中的应用进行进一步探索。

二、非晶合金轴向磁通永磁电机的应用问题

因为非晶合金材料本身薄且脆的特性，使得其磁性能受机械应力的影响较大，本身的饱和磁密度也较低。在设计的过程中要兼顾此类材料不宜冲压的物理特性和特殊的电磁性能，所以相关非晶合金轴向磁通永磁电机在对非晶合金材料进行制造时取消了冲压和切割等工序，最大程度的减少机械加工环节对非晶材料磁性能的影响。在设计方面，非晶合金轴向磁通永磁电机的问题主要分为四个方面：

首先是非晶定子铁心的热传导问题，通常非晶定子铁心的叠压系数基本能够达到0.9左右，但是根据非晶合金的物理性质，使得单位体积内的绝缘比例较大，进而降低了此类材料的热传导能力。特别是高频电机损耗方面，因为此类材料的耗热较快导致损耗较快，所以需要着重考虑非晶定子的冷却和温升问题;其次是非晶定子铁心的磁密度饱和问题，在加工的不同阶段，非晶铁芯的磁性能会受到各种频率的影响。虽然与传统的永磁电机材料相比，其收到的影响要小很多，但是因为非晶合金材料的饱和磁密度比传统的硅钢材料要低，所以需要将其设计在非晶合金材料接近饱和磁密位置，以此来控制定子的温升和贴好，此类位置在高频下可达到1.2～1.3T，50Hz的情况下可达到1.4～1.5T。

第三是磁通结构引起的轴向磁拉力问题，此类问题主要是因为磁通结构所引起的轴向磁拉力偏转，如果不在设计上进行适应的选择，就会造成相应的点击破坏。所以非晶合金轴向磁通永磁电机主要在双转子单定子式、双顶子单转子式和多盘式三种结构中进行选择。

最后是轴向对称度问题，轴向对称度问题通常是由装配精度不高所引发的，所以需要大幅度提高装配的精度，进而规避这类因装配工艺不精所导致的问题。

三、非晶合金轴向磁通永磁电机设计

根据相关计算，笔者设计的非晶合金轴向磁通永磁电机以Torus结构为主体，额定功率为7kW，额定电压为380V，额定转速为4000 r·min^-1，其本身的效率>90%，相数为3，。采用定子开槽，绕结构为绕组单尺，连接方式为双侧绕组串联。

（1）极槽配合

非晶合金材料高频下对铁心涡流损耗抑制作用明显，但饱和磁密较低且对机械应力敏感，要求铁心加工量越少越好，因此本设计选用分数槽绕组，并通过近极槽配合减小低次齿谐波，降低齿槽转矩与谐波损耗，提高电机电磁性能。随着极数增加，电机运行频率升高，铁心损耗增逐渐增大，但非晶合金材料在高频下对铁心涡流损耗抑制作用明显。根据相关模拟，本次设计选择12极18槽自作为本次电机设计的极槽配合。

（2）电机尺寸

定子外径、内径与电机轴向长度是轴向磁通电机的三个主要尺寸，为充分利用铜与永磁体，定、转子盘一般设计为相同径向有效长度，外径与轴向长度决定了电机体积，三者可大致确定鐵心材料用量。本次设计综合考虑电机电磁性能与电磁负荷对定、转子温升的影响，最终确定电枢直径比为1.70，此时电机外、内径尺寸分别为185mm和109mm。

（3）气隙长度

根据相关的研究成果，研究人员发现气隙长度对气隙磁密、漏磁情况、齿槽转矩与永磁体涡流损耗均有较大影响，气隙长度越大永磁体用量也相应增加，成本波动较大，另外轴向磁通特殊结构易产生不平衡磁拉力，气隙长度的设计还需考虑装配要求，气隙越小轴向磁拉力越大，对装配精度要求越高，为保证电机运行可靠性、降低装配难度，轴向磁通永磁电机气隙长度设计应比径向磁通结构大。综合考虑气隙长度对空载气隙磁密、齿槽转矩、永磁体涡流损耗与电机成本的影响，本设计的气隙长度2.5mm。

四、总结

总而言之，本文根据非晶合金轴向磁通永磁电机方向出发，对非晶合金轴向磁通永磁电机的极槽配合、电机尺寸和等气隙长度四个方向进行了重新设计，让其能够满足非晶合金轴向磁通永磁电机的生产要求。根据后续的仿真模拟实验，笔者对本次设计的非晶合金轴向磁通永磁电机进行了运行模拟，发现本次设计的电机取得了预期的设计成果。

参考文献

[1]  戴汕泓. 非晶合金轴向磁通混合励磁电机的磁网络建模和转矩研究[D].沈阳工业大学，2019.

[2]  朱龙飞，朱建国，佟文明，韩雪岩.轴向磁通非晶合金永磁电机空载铁耗的解析计算方法[J].中国电机工程学报，2017，37（03）：923-931.