电机设计论文.doc

硅钢片铁芯损耗的分析与计算1研究铁心损耗的现实意义电机是一种能量转换装置；在能量转换过程中存在有用和无用两种功率。有用功即为被转换或传递的能够充分利用的能量, 而无用功则为损耗。一般情况下, 效率最大化是能量转换过程中追求的主要目标。因此, 如何降低损耗、提高效率, 就成为电机设计者最为关注的问题之一。电机的损耗主要包括铜耗、铁耗、附加损耗、机械损耗等。铁耗是由电机中产生的各种磁场在铁心中发生变化时产生的, 是电机中主要损耗之一, 一般在总损耗中所占比例较大, 尤其是高速电机。因此, 研究铁心损耗的形成机理及铁耗各种成份构成及其比重, 对其进行较准确地预测、计算和测试, 将对提高电机效率、找出其局部发热点、合理改变结构设计、提高材料利用率和整体设计水平都具有极为重要的意义。由于铁耗对电机的重要意义, 伴随着电机设计理论及电机种类的发展, 人们对铁耗已经有很多研究, 各种教科书及电机设计手册都有详细介绍, 如西安交通大学陈世坤教授主编的电机设计等。对几种传统电机, 在通常情况下的铁耗研究已有成熟的理论基础。但随着新类型电机的出现, 如永磁无刷直流电机或永磁交流同步电机等机电一体化电机的普遍应用, 由于各类不同特点的永磁材料的应用以及在电力电子供电情况下电机运行控制通电方式的特殊性, 其铁耗产生及构成有了新的变化, 传统的计算结果已很难适应, 有待进一步深入分析。 在电机中，铁心损耗作为不变损耗，占了总损耗的较大比重，特别是在高速和非正弦供电的电机中，铁心损耗占的比重更大。所以无论是在高效电机的设计中还是在对电机性能进行分析时，准确有效地预测电机铁心损耗都是十分重要的。在国外，已经有不少学者提出了铁耗计算的两种方向，一种是采用有限元法来分析硅钢片内磁场的分布，进而计算损耗；另一种是通过研究铁磁材料的磁特性，提出铁耗的模型及计算和测量方法。第一种方法虽然准确，但计算工作量巨大，且没有通用性。另一种方法计算方便，其中以Bertottti铁耗分立计算模型。应用最为广泛。用这种模型计算出来的结果与实测数据相差不大。它的主要问题在于模型中存在未知参数，且难于确定，参数的大小将直接影响到损耗计算的结果，要求参数的计算必须非常准确。而国内目前在这方面没有专门研究。本文首先介绍了在电机设计中使用的传统的铁耗计算方法；然后介绍了Bertotti铁耗分立计算模型，并以之为研究对象，通过回归分析准确计算出了其中的未知参数；对计算结果进行了分析，得出了有意义的结论。2铁耗研究的理论基础国内外学者较早就开始了对铁磁材料性能的研究，研究表明，铁磁材料内部的磁感应强度的变化滞后于磁场强度的变化，从而使铁磁材料内部的B-H关系表现为一个封闭的环形曲线，铁磁材料的这种特性被称为磁滞特性，这一环形曲线称为磁滞回线。磁滞特性是铁磁材料的一个重要特性，由磁滞特性产生的磁滞损耗也是铁磁材料电磁损耗的重要部分。在交流磁路中，交变的磁通在线圈中引起感应电动势，同时在铁心中也会产生感应电动势，从而导致铁心中存在闭合的感应电流，称之为涡流，由涡流引起的损耗称为涡流损耗。当铁磁材料一致均匀，且具有相同的磁导率时通过麦克斯韦方程可得到材料的涡流损耗，在许多文献中被称之为经典涡流损耗。经典涡流损耗和磁滞损耗被认为是铁磁材料电磁损耗的主要部分，后来的研究逐渐表明，用经典涡流损耗和磁滞损耗之和来计算材料的总损耗时，计算值总是低于实际损耗的，额外的这部分损耗被称为异常损耗。异常损耗产生的主要原因，一般认为是由于铁磁材料内部磁畴壁移动导致的涡流不均匀分布以及磁密的局部波动所引起的。因而对铁磁材料性能的研究是一个涉及材料微观结构的过程。(1)、传统的铁耗计算方法 一般在工频正弦波供电的电机的设计中，对于电机损耗的计算大多采用传统的按频率比例缩放的方法,这种方法为损耗系数乘钢的重量:式为当B=IT、f=50Hz时，钢单位重量内的损耗，其值一般由硅钢片厂商提供，或按国家标准规定的方法测量，为钢的质量，为经验系数，把由于钢片加工、磁密分布不均匀及随时间不按正弦变化等引起的损耗增加等估计在内的系数。实践证明，这种方法在频率接近工频的正弦波供电条件下的应用中是比较准确的，但在高频、高磁密条件下计算时却会出现较大的误差，已不适应新型电机的应用与发展。在国外，已经有学者提出了铁耗计算的两种方向，一种是采用数值方法，用有限元法来分析硅钢片内磁场的分布，进而计算损耗，如高频下铁磁材料的涡流损耗；另一种是通过研究铁磁材料的磁特性，提出铁耗的模型及计算和测量方法。第一种方法比较准确，并且可以直接应用在电机中，但计算工作量巨大，且必须针对不同电机建立不同的模型，没有通用性。第二种方法计算方便，可以针对某种材料建立较准确的计算公式，其中以Bertottti铁耗分立计算模型应用最为广泛。用这种模型计算出来的结果与实测数据相差不大。它的主要问题在于模型中存在未知参数，且难于确定，参数的大小将直接影响到损耗计算的结果，要求参数的计算必须非常准确。目前对于此模型的研究主要集中在对参数的确定上。（2）基于Bertottti铁耗分立计算模型硅钢片损耗的计算方法按照Bertottti铁耗分立计算模型，不考虑集肤效应时，铁芯损耗表示为磁滞损耗和“动态”损耗： （1）式中：为单位重量铁心总损耗（W/Kg）；为单位重量磁滞损耗（W/Kg）；为单位重量动态损耗（W/Kg）；为单位重量涡流损耗（W/Kg）；为单位重量附加损耗（W/Kg）；（1）式还可细化为式（2）： （2）式中：f为频率（Hz），B为为正弦波磁密幅值（T），为可变系数，为磁滞损耗系数，为涡流损耗系数，为附加损耗系数，(2)中第一项, 磁滞损耗与频率的一次方及磁密的次方成正比；第二项，涡流损耗与频率及磁密的二次方成正比；第三项，异常损耗与频率和磁密的1.5次方成正比。、均为与材料性能有关的可变系数。、显然是用式（2）进行铁耗计算的关键参数。本文采用直接拟合计算方法计算未知参数。（3）回归分析通过一系列不同频率下的实验得到损耗值，对式（2）作回归分析，得出其中未知参数。为了简化计算，不考虑集肤效应的影响，因此采用式（2）为分析对象，约束条件为使式（3）达到最小： （3） 式中 为偏差， 为实测损耗值， 为预测值。 采用硅钢片B50AR350为试样，其在正弦波供电下损耗曲线如图1，为了能够比较数据选取对参数计算结果的影响，把数据按频率分成几组，每一组分别进行回归分析计算出参数，具体计算结果见表1图1 各种频率的正弦波供电条件下B50AR350的损耗曲线表1 直接拟合计算得参数结果分组频率（Hz）I50、60、100、200、4000.02385.867e-0051.6802.735e-006II400、1000、2000、50000.02674.952e-0051.7152.625e-006III所有频率0.02475.030e-0051.6822.945-006从表1中数据可以看出，各种情况下计算出来的参数、基本上没有差别，由此可以认为对于某一型号的硅钢片来说这些参数是频率无关的常，只与磁性本身的特性和厚度有关。在回归计算求解参数时，用于计算得频率数、点数越多，计算结果越准确，因此第III组结果可以被认为是所有计算结果中最准确的，可作为B50AR350的损耗计算参数参考值（表2）。将参数值代入式（3），利用公式计算出来的铁耗值与实际作比较，误差见表3，可见两者已基本趋于一致。表2 B50AR350的、参考值参数参考值0.02475.030e-0051.6822.945e-006表3 损耗计算值差f50Hz0.0081360Hz0.00395100Hz0.00219200Hz0.00210400Hz0.002651000Hz0.005862000Hz0.002815000Hz0.00955（4）磁滞损耗与涡流损耗变化规律影响铁磁材料损耗大小的因素较多，如材料的特性、几何尺寸、外加磁场的性质，乃至其加工工艺等。在材料牌号选定后，不考虑加工因素，并在施加正弦波磁场的情况下，其磁滞和涡流损耗以及损耗系数、主要随磁密和频率的变化而变化。、变化规律随频率的增加而增大，随频率的增加而减小，变化曲线如图2。而随磁密的增加而变化不大，随磁密的增加而增加，变化曲线如图3。通过对大量计算结果与测试数据进行分析，表明频率变化时，磁滞损耗系数和涡流损耗系数都不是固定不变而是变化的。图2 B50AR350硅钢片、随频率的变化曲线图3 B50AR350硅钢片随磁密的变化曲线总铁耗、磁滞损耗、涡流损耗变化规律总铁耗、磁滞损耗、涡流损耗随频率的变化曲线如图4图4 B50AR350硅钢片（B=1.5T）总铁耗、磁滞损耗及涡流损耗随频率f的变化曲线从图4可以看出，随着频率f的增加，总铁耗、磁滞损耗和涡流损耗都在增大，但磁滞损耗增加速度小于涡流损耗。从两者相对比例来看，在低频段，磁滞损耗远大于涡流损耗，但到高频段后，涡流损耗反过来会远大于磁滞损耗。从B50AR350硅钢片数据可以计算出，在=50Hz时，。当分别取=1.8和=2.0时，其计算结果相差小于1%。进一步分析、的变化，求得在、相等时的频率如下：令=，可得： 利用这个公式可以计算出：当取=2.0时，261Hz，取=1.8时，250Hz。几种型号硅钢片计算出来的上述几个系数的参考值及其磁滞损耗和涡流损耗占总铁耗得比例见下表：硅钢片型号（50Hz）(B=1.0-1.7T)/HzB35A3000.01927.34784%16%250280B50A0.01801.99664%36%80110B50A6000.02621.90573%27%120150B50AH8000.03032.16174%26%1201503 结论通过利用Bertottti铁耗分立计算公式对硅钢片B50AR350的铁耗进行分析。铁耗由磁滞、涡流和附加损耗三部分组成，一