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取向硅钢在电机中的应用及展望

电机和钢铁行业作为我国的支柱产业,为减少温室气体排放和节省不可再生资源做出了重大贡献。根据工业信息化部统计,电机能效每提高1个百分点,每年可节约260亿kW·h左右的电量。与异步电机相比,永磁电机具有更高的功率密度、更高的效率以及更小的体积,被广泛应用于各种高效、高精度制造行业。2022年中小型永磁电动机的产量就高达706.0万kW,同比增长了3.9%,销售额收入33.9亿元,同比增长了2.8%。自我国提出“双碳”目标、《电机能效提升计划(2021-2023年)》以及GB18613-2020《电动机能效限定值及能效等级》等政策、标准以来,电机行业就逐步向小型化、轻量化、高效化的方向发展。目前导磁材料普遍采用冷轧无取向硅钢,受限于材料的性能和冷却能力的限制,电机的性能难以有显著提高。与无取向硅钢相比,取向硅钢的电磁性能更加优异,因此,研究人员开始从新的导磁材料领域研究提升电机性能的方法,结合电机磁路的分布情况,尝试将部分无取向硅钢导磁材料替换为取向硅钢材料,并对替换部分的尺寸、结构以及电机整体的设计等进行了进一步深入研究。本文对取向硅钢在电机中的应用技术做了综述,总结取向硅钢电机现有的问题,对未来取向硅钢电机的发展做了展望。
 
1、取向硅钢和无取向硅钢磁性能对比
 
取向硅钢和无取向硅钢由于晶粒取向的区别,在磁性能方面有较大的差异。裴瑞琳研究团队对某厂生产的27PG130取向硅钢(GO)和某厂生产的0.30mm厚、P1.0/400=15W/kg新能源汽车用无取向硅钢(NGO)的磁性能作了对比,结果如图1所示。
图1 取向硅钢和无取向硅钢B-H曲线对比图
 
从图1可以看到,取向硅钢的饱和磁密在1.9T左右,无取向硅钢的饱和磁密在1.82T左右。相对于无取向硅钢,取向硅钢更容易被磁化,这就意味着在相同磁场条件下,取向硅钢能获得更好的导磁性能,应用到电机上,这能大大提高硅钢的利用率,提升电机的综合性能。同时取向硅钢磁化曲线的增长速度也优于无取向硅钢,这意味着电机的高效区间更大。
测得上述两种硅钢材料在不同频率下B-P曲线如图2所示。通过对比可以发现,全频率下,无取向硅钢的铁损值均大于取向硅钢,同时随着频率的增加,取向硅钢低铁损的优势越明显,表明应用于交流电机中峰值工况下性能提升越显著。应用铁损值更小、磁通密度更高的铁心材料,正是提高电机性能最直接的方法。
图2 不同频率下取向和无取向硅钢B-P曲线对比
 
2、取向硅钢电机的应用技术发展
 
旋转电机在运行过程中,磁路会随时间和转子的运动而不断变化,简单将取向硅钢替换无取向硅钢作为电机的铁心,则会因为取向硅钢在偏离轧制方向导磁性能逐渐减弱的特性,而出现性能不如无取向硅钢电机的现象。随着研究人员对磁路变化研究的深入,开始认识到电机磁路经过定子齿部等某一部分的方向不会发生大的偏离,于是开始逐步将取向硅钢应用至径向磁通和轴向磁通等各类电机中。
 
2.1径向磁通取向硅钢电机
取向硅钢在电机上的早期应用是从传统径向磁通电机开始,通过对定子部分的材料进行替换而开发出取向硅钢电机。
2005年,日本学者Tomida.T等人发现双取向硅钢(即取向硅钢)应用在变压器中,利用现有的模型计算其边角端的磁化值并不准确,因此利用双取向硅钢片交叉叠放的方式测得了双取向硅钢在高磁场强度的情况下任意方向的B-H曲线。这一方式提高了材料B-H曲线的准确度和损耗值,也引发了学者们对取向硅钢应用至电机的思考。
2009年,来自土耳其科贾埃利大学的学者选取一款9槽12极电机,分别制作了取向硅钢和无取向硅钢的定子,将取向硅钢叠片分9组,并以每组交错40°角进行拼接成取向硅钢定子,如图3所示。这一创新制作的定子具有更高的扭矩(提升1.3%)、更低的转矩脉动(减少30.5%)和更高功率密度(提升2.14%),但这一方式并没有充分利用取向硅钢轧制方向优异的磁性能,反而有很多磁力线经过取向硅钢的非轧制方向,存在更多的磁滞损耗。
图3 9槽12极电机的9组定子及封装
 
2012年,日本学者KeisukeFujisaki等人也使用取向硅钢制作了电机定子,但与贾埃利大学的学者做法不同的是,KeisukeFujisaki将定子的齿部和轭部分别进行制作,再通过研磨连接组成一个完整的定子铁心,如图4(a)所示,并将其命名其为“磁各向异性电机”,并对定子齿部插入的深度、齿部和轭部连接处的三角形角度以及轭部分块的大小进行了参数优化和二维电磁场分析,最终得到了一款综合铁损最小、电磁转矩最大以及设计考虑合理的电机定子拓扑结构,如图4(b)所示。
图4 磁各向异性电机示意图
 
这一电机结构与传统无取向硅钢制作电机定子相比,峰值电磁转矩提升了2%,铁损最大降低43%。这一定子结构也有多项研究,但从结果来看,仍然存在连接处铁损增加的问题,导致性能并不能有显著提高。
取向硅钢在电机上的应用除上文提及的内置式永磁电机,研究人员也陆续对开关磁阻电机和永磁辅助磁阻电机等应用取向硅钢材料开展了研究。永磁辅助同步磁阻电机转子的拓扑结构为发挥最大的磁阻转矩能力,通常采用多段多层磁体结构,然而,由于电机外径有限,转子空间不足,这种方法不适用于电动自行车牵引电机等相对较小的电机,因此Ji-ChangSon等人提出利用取向硅钢制作定子齿部,改善转矩和铁损特性,如图5。在磁路变化方向最大的齿轭连接处,采用了取向硅钢嵌入轭部的槽型接头,一方面利用机械结构固定齿部并简化生产步骤,另一方面减小了磁通在非轧制方向上的流通路径,减少了连接处的铁损,转矩和效率分别提高9.89%和1.7%。仅在齿部应用取向硅钢以增强导磁能力这一结构设计,目前仍有许多研究人员在进行研究,因充分利用取向硅钢的特性,这类电机的性能表现普遍高于上述几种电机,但是仍存在着连接处的铁损增加和齿轭连接处结构最优设计等问题。
图5 取向硅钢永磁辅助磁阻电机1/4模型
 
除了在定子上采用取向硅钢齿和无取向硅钢轭分离的模块化设计,VincentMallard等人采用分段的方式,将取向硅钢应用至感应电机压铸铜转子中。具体做法是,将每一片取向硅钢在冲片时,沿轧制方向交错一定的角度,形成的整体转子铁心总体相差90°,即第一片取向硅钢的轧制方向和最后一片取向硅钢片的垂直轧制方向重合,这样的层叠移位转子鼠笼不仅可以显著减小焦耳损失,还可以在偏移转子的同时保持较好的槽绝缘。结果表明,采用了取向硅钢转子的感应电机比传统材料的感应电机效率提高约2%。
 
悉尼科技大学的TianshiWang等人利用层压的方式将取向硅钢片弯曲叠压制作定转子,如图6。用二维有限元法计算了其反电势、自/互感和齿槽转矩等理论特性,这种定/转子叠层制作更加耗时和复杂,且在层压处由于产生残余应力需再次退火处理,这些缺点限制了本结构的进一步发展。
图6 径向磁通取向硅钢层压电机
 
电机实际运行过程中并非处于恒定的环境,会受到磁、力、热等多物理场条件的综合影响。沈阳工业大学的李志野等人为得到更为准确的取向硅钢材料应用至电机的性能数据,使用自主搭建的多物理场装置测试取向硅钢样件在温度场、应力场、变频电磁场及多场耦合的条件下磁特性变化。另外李志野对齿轭相连处进行了优化设计,探索更精准的取向硅钢电机模型。
在取向硅钢应用至电机的发展历程中,包括取向硅钢齿部和无取向硅钢轭部相连、定子齿轭均采用取向硅钢分块化处理以及取向硅钢层压制作成型等应用尝试,其中性能提升最多且更容易实现的方式为取向硅钢齿部和无取向硅钢轭部相连的方式,这也有可能成为未来径向磁通取向硅钢电机应用最为广泛的方式,其中齿轭相连处的性能预测和两种材料的适配性也可能成为一大研究热点问题。
 
2.2轴向磁通取向硅钢电机
取向硅钢不仅在径向磁通电机中有应用,在轴向磁通电机中也有学者对其开展研究。与径向磁通电机最大的区别是轴向磁通永磁同步电机的气隙是平面型的,其气隙磁场也是沿轴向分布。
因其外形扁平、轴向尺寸短,形状似圆盘等特点又称其为盘式电机。研究人员根据轴向磁路走向的特点引入了取向硅钢来提升电机的性能。华中科技大学学者在2015年提出将取向硅钢应用至轴向磁通开关磁阻电机以减小漏磁。如图7,将定子齿部的无取向硅钢替换成取向硅钢,为了避免轧制方向与磁化方向的夹角过大,在磁通弯曲的定子轭部仍然选择使用无取向硅钢。这一新型的拓扑结构可以令转矩提高20%以上。这一材料可能是轴向磁通电机实现高转矩密度的一种措施。
图7 取向硅钢轴向磁通开关磁阻电机三维模型
 
南京理工大学的研究团队注意到取向硅钢应用在轴向磁通电机齿部有良好的导磁效果,但在轭部由于磁路走向的改变,性能提升并不明显。因此,研究了一款取向硅钢定子的无轭轴向磁通电机,如图8所示。这保证了主磁通仅沿一个方向通过定子部分,消除了有轭定子轴向磁通电机磁通路径复杂,且与取向硅钢材料易磁化方向不一致的缺点,转矩输出能力提升约3%,铁心损耗降低了10%,效率也得到提高。
图8 无轭定子轴向磁通电机爆炸视图
 
华中科技大学的马霁旻等关注取向硅钢齿部和无取向硅钢轭部存在较大的磁导率差异,当磁力线从轭部进入到齿部时,磁力线会发生90°旋转,根据取向硅钢的特性,如果简单将齿部替换成取向硅钢材料会导致局部磁阻上升,无法充分发挥取向硅钢高导磁特性的优势。该研究对齿部和轭部接触的区域进行模型优化,将有取向硅钢片叠压成的定子齿部以特定接触角θ嵌入到无取向硅钢片叠压支撑的定子轭部,再经过对接触角θ进行优化后,得出性能最佳的接触角度,最大程度减小磁通在材料非轧制方向上运行路径,改善了电机定子齿、轭连接处的磁密分布。瞬态电磁场分析和铁心损耗分析结果表明,经过定子优化后的取向硅钢电机模型不仅在单位体积内的电磁转化能力较传统无取向模型更高,电机铁损也明显降低。进一步证明了取向硅钢材料在轴向磁通开关磁阻电机运用的可行性。
 
在轴向磁通取向硅钢电机的发展历程中,主要有取向硅钢齿部和无取向硅钢轭部等实现方式,综合实现成本以及性能的提升等方面考虑,齿轭相连和无轭定子结构都有望成为未来轴向磁通取向硅钢发展的主流方向。
 
2.3其他类型取向硅钢电机
 
除上文介绍的径向/轴向磁通取向硅钢电机应用,部分学者也对其他类型的特种电机应用取向硅钢进行了研究。沈阳工业大学的董婷教授将取向硅钢片应用于永磁直线同步电机,如图9(a),计算了无取向硅钢和取向硅钢永磁同步电动机在不同负载下的电感参数变化。验证了用电感参数测量磁路饱和的可行性,提高了电机的磁通密度,改善了磁路饱和,证明了取向硅钢永磁同步电动机具有更强的过载能力。
MatthewC.Gardner等人利用利用取向硅钢制作了一台双圆锥转子永磁电机,如图9(b)。与传统的径向磁通电机进行比较,在不牺牲定子磁通密度的情况下具有减少铁心损耗和显著的节能效果。随着对电机用取向硅钢材料的深入研究和结构等设计趋近成熟,未来会有更多的特种电机应用取向硅钢来提升电机性能。
图9 取向硅钢应用至特种电机
 
3、取向硅钢电机的问题及发展趋势
 
3.1取向硅钢电机存在的问题
 
取向硅钢凭借其优异的导磁性能,不论在径向磁通、轴向磁通还是特种电机应用均有着广阔的发展前景,然而目前仍有问题需要探究解决。一方面,取向硅钢在轧制方向和到垂直轧制方向的变化方向上磁性能呈非线性变化,这一特性令取向硅钢电机设计值和实际值存在较大的误差;另一方面,目前为发挥铁心最佳导磁性能,普遍采用定子部分齿轭拼接的方式,但磁路角度的急剧变化以及拼接处的微小气隙,会导致齿轭连接处的铁心损耗增大,带来明显的转矩波动以及机身发热现象。值得注意的是,目前取向硅钢材料应用至电机行业总体处于探究试验阶段,材料的性能多以生产厂商提供的常温常压性能数据为准,但驱动电机运行在磁-力-热等多场耦合的复杂工况中,材料的高温磁性能以及变应力场下磁性能的改变都会影响电机最终的性能。这些问题的存在也是研究人员需要探究的方向。
 
取向硅钢在平行和垂直轧制方向上的抗拉强度均明显低于无取向硅钢,这一特点置于空间更为紧凑的轴向磁通电机中更为显著,在齿轭连接处的结构设计时需充分考虑;相较于传统变压器铁心磁路,电机磁路更加复杂多变,加之受温度、结构和材料饱和程度的影响,磁力线经过取向硅钢的方向并非一成不变地沿轧制路径,磁通量在铁心内流动的路径难以精准预测;尽管取向硅钢在变压器等电力设备中的应用已经趋近成熟,但取向硅钢电机的磁致伸缩模型等目前研究内容仍较少,电机噪声振动研究也处于起步阶段。
 
3.2取向硅钢电机发展趋势
 
高功率/转矩密度化、高效和高速化是未来高性能电机的主要发展趋势。取向硅钢电机的研制、铁损和电磁转矩等性能提升及性能预测等可能是今后研究的重点:
1)电机用取向硅钢材料的性能要求需进一步探索。从宏观角度,电机系统在高速运行时,不但转子铁心受到高转速带来的离心力,此时机壳与铁心材料热套过盈产生的压应力等外在因素,都将直接或间接影响定子电枢系统的变温升发热。材料的特性和工艺不仅会直接影响电机系统的外特性,还会在设计端影响电机的拓扑结构选择,进而改变电机设计中最为核心的电路设计与磁路设计。
2)探索定子齿轭连接处最优性能。目前取向硅钢电机研究最多,且发展前景最好的是齿轭分离模块化处理技术,这使得在连接处的机械强度和可靠性应重点关注,新型低损耗的机械连接结构或粘结工艺有待研究,充分发挥取向硅钢在电机中的优势。
3)使用成本低、制作工艺简单的方式实现取向硅钢电机的研制。取向硅钢应用至电机,特别是径向磁通电机,复杂的磁路影响取向硅钢的应用与设计,也给实际应用带来困难。所以取向硅钢电机制作过程的简单化、流程化、低成本化有着重要的研究意义。
4)取向硅钢电机性能的精准预测。目前取向硅钢电机的性能评价多以仿真结果为参考,取向硅钢材料的精准铁损模型搭建以及性能的预测方式研究,对于取向硅钢电机的发展具有指导意义。
 
4、结语
 
取向硅钢应用至电机具备铁心高效化的潜力,实现材料科学和电机技术体系交叉应用,并可以逐步应用至工程技术层面。目前取向硅钢已经在径向磁通电机、轴向磁通以及特种电机中有一定的进展,在研究过程中更多采取齿轭分离模块化处理实现取向硅钢电机的研制。但电机磁路和运行工况的复杂性,结合取向硅钢材料偏离轧制方向损耗变化的非线性,也是取向硅钢电机发展所要面临的重要问题。
 
原文链接:http://1guigang.com/news/58964.html,转载请注明出处~~~
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