2022年04月15日
軟磁材料專題（十五）
軟磁材料可分為金屬軟磁材料、鐵氧體軟磁材料、非晶和納米晶以及其他軟磁材料。近年來應(yīng)用場景不斷擴(kuò)展的金屬磁粉芯是以金屬軟磁粉為原料，采用絕緣包覆、壓制、退火、浸潤、噴涂等工藝技術(shù)制成的磁芯，也屬于軟磁材料的一種。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷更新，推動(dòng)軟磁材料的技術(shù)迭代，也拓展了軟磁材料在高頻驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用。本期內(nèi)容將為大家介紹在電機(jī)控制方面高頻應(yīng)用的兩大原因以及電機(jī)的高頻應(yīng)用。
一、電機(jī)控制
對于電機(jī)來說，頻率升高首先使電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生相應(yīng)的提高，軸承磨損加劇，大大影響電機(jī)壽命；其次，高頻下電機(jī)效率會(huì)因鐵損的增加而降低，也會(huì)造成鐵芯過熱。而頻率降低，感抗減小，電流增大，銅損也就隨之增大，甚至可能因電流過大燒毀。那么在電機(jī)中使用高頻主要有以下兩個(gè)原因:簡易速度控制和高能封裝。
(1)簡易速度控制
在過去很長一段時(shí)間,驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的主要能量來源于三相感應(yīng)電機(jī)，速度控制方法也是有限的，包括變頻器調(diào)速、電磁調(diào)速控制器和串電阻調(diào)速。變頻調(diào)速是現(xiàn)在最常見的速度控制方法之一，變頻器調(diào)速從最小到最大速度可以連續(xù)平穩(wěn)調(diào)節(jié)，并且適用于多種電動(dòng)機(jī)；電磁調(diào)速控制器只能對如圖1.1所示的專門的電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，并不適用于普通電動(dòng)機(jī)，應(yīng)用范圍受限；電阻調(diào)速通過給轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)調(diào)速，同樣也不適用于普通電機(jī)。
圖1.1 電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)
而回旋轉(zhuǎn)換器電壓/頻率變量模式,不僅昂貴,而且不易控制。面對現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)，通常有效的速度范圍是小于50或60Hz同步轉(zhuǎn)速,且計(jì)算機(jī)控制要求平穩(wěn)速度控制。在相對有限范圍內(nèi)，激勵(lì)頻率的波動(dòng)對電工鋼的需求造成的影響不會(huì)很大。相同的扭矩下,降低轉(zhuǎn)速能減少能量輸出，這種模式與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求正相適合。
(2)高能量封裝
載流線圈之間的作用力與B2A 成比例,其中A 是線圈面積,B 是主要的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在電機(jī)中,力與扭矩關(guān)聯(lián),由于力×距離=功,且功/時(shí)間=功率,電機(jī)的輸出功率將會(huì)與轉(zhuǎn)速等比例上升,如果扭矩維持恒定:
力∝B2A
功∝B2A×S
功率∝B2A×S/t
其中S=2πr，通過提高頻率,轉(zhuǎn)速能得到明顯提升,相同尺寸和重量的電機(jī),能傳遞更多的能量。然而,當(dāng)頻率過大時(shí), 渦流損耗隨頻率的平方倍增加，會(huì)導(dǎo)致鐵損急劇增加；頻率升高,磁通穿透不徹底，導(dǎo)致鐵芯材料的磁導(dǎo)率急劇下降。有效磁導(dǎo)率降低,所需的磁化電流上升,相應(yīng)有效的B 下降，扭矩也便降低。
為了使鐵芯材料適應(yīng)以上需求,可以想辦法推遲功率減少和效率降低的時(shí)刻,
然而高頻下功率的減小和效率的降低是不可避免的。
二、電機(jī)高頻應(yīng)用
電工鋼一直是變壓器鐵芯的制造媒介,變壓器鐵芯是實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備。在電機(jī)中,電力系統(tǒng)的操作頻率從牽引電機(jī)的50/3Hz，到大規(guī)模的工業(yè)或民用的50或60Hz，且隨著功率電子電路的出現(xiàn),能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換頻率,最高可能達(dá)到20kHz。在航空航天以及其他特殊應(yīng)用中, 通常采用的頻率為400Hz到2kHz，電機(jī)大小及重量比效率更重要，且成本不是主要的決定因素。
此外,在高頻驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，鈷鐵合金這類更耐高溫的鐵芯材料也得到了廣泛的應(yīng)用。雖然影響選擇50或60Hz高頻的因素仍然存在, 甚至將在很長一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)存在,一些重要的高頻電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)逐步出現(xiàn)。
2.1交流發(fā)電機(jī)
電能是現(xiàn)代社會(huì)最主要的能源之一。發(fā)電機(jī)是將其他形式的能源轉(zhuǎn)換成電能的機(jī)械設(shè)備，它由水輪機(jī)、汽輪機(jī)、柴油機(jī)或其他動(dòng)力機(jī)械驅(qū)動(dòng)，將水流、氣流、燃料燃燒或原子核裂變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能傳給發(fā)電機(jī)，再由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。
生產(chǎn)由汽輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的小型交流發(fā)電機(jī)是能量產(chǎn)生領(lǐng)域的新方向,這種發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子可以考慮采用永磁體式，最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到100000rpm。設(shè)計(jì)的功率在1kW范圍時(shí)，這種發(fā)電機(jī)在裝到正規(guī)設(shè)備上之前要求被處理。由于輸出頻率、電壓及調(diào)控能夠通過整流逆變系統(tǒng)中的反饋通道進(jìn)行控制，因此多相整流及逆變是可行的。在這個(gè)領(lǐng)域中，有許多值得開展的工作，主要需要考慮的是頻率的升高帶來的相關(guān)事宜。
2.2磁軸承
磁軸承是一種利用磁鐵相同兩極相互排斥的原理而制造的非接觸高性能軸承。與傳統(tǒng)滾珠軸承、滑動(dòng)軸承以及油膜軸承相比，磁軸承不存在機(jī)械接觸，轉(zhuǎn)子可以達(dá)到很高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，具有機(jī)械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長、無需潤滑、無油污染等優(yōu)點(diǎn)，特別適用高速、真空、超凈等特殊環(huán)境。可廣泛用于機(jī)械加工、渦輪機(jī)械、航空航天、真空技術(shù)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性辨識與測試等領(lǐng)域，被公認(rèn)為極有前途的新型軸承。
盡管基于壓力反饋條件檢測的油潤滑軸承具有良好的保護(hù)作用,但在新的應(yīng)用中,磁軸承滿足在高轉(zhuǎn)速下仍具有低摩擦力和高可靠性要求。并由于電機(jī)的轉(zhuǎn)軸被平衡磁力維持在某一特定位置，本質(zhì)上來說,可以通過精確檢測，以及采用控制信號對轉(zhuǎn)軸周圍的電磁場的反饋電流進(jìn)行控制,來實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)軸位置的精確控制(見圖2.1)。
圖2.1 磁軸承
對于高轉(zhuǎn)速工況,為了能夠快速而準(zhǔn)確地傳遞電磁力的設(shè)備,響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該在亞毫秒的范圍內(nèi)。這就要求必須具有高的磁流頻率。能夠滿足以上要求的鐵芯材料,必須要非常薄,以至于具有快速的磁通穿透特性和高的磁導(dǎo)率。
2.3牽引電機(jī)
牽引電機(jī)是鐵路干線電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、電力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車和各種電動(dòng)車輛（如蓄電池車、城市電車、地下鐵道電動(dòng)車輛）上用于牽引的電機(jī)。牽引電機(jī)包括牽引電動(dòng)機(jī)、牽引發(fā)電機(jī)、輔助電機(jī)等。
牽引系統(tǒng)是以牽引電機(jī)作為控制對象，通過控制系統(tǒng)對電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的控制，來選擇機(jī)車運(yùn)行方向并調(diào)節(jié)機(jī)車運(yùn)行速度，使其滿足機(jī)車牽引性能要求。在機(jī)車中通常要求采用矯正或反轉(zhuǎn)的方式來進(jìn)行能量模式處理。
對于牽引電機(jī)來說，由于60Hz的高頻下鐵損和系統(tǒng)阻抗成為電機(jī)面臨的主要問題,因而牽引電機(jī)很少在高達(dá)60Hz的頻率下工作。雖然頻率上升時(shí)能使用更小和更輕的定子傳遞相同的能量流,但由于損耗增加導(dǎo)致電機(jī)的效率降低。在適合應(yīng)用的電壓范圍內(nèi),盡管直流電在遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)損耗的能量過大,沒有被大規(guī)模應(yīng)用。但是,在牽引電機(jī),例如,有軌電車中,主要還是應(yīng)用直流電。由于牽引電機(jī)對于空間、重量、冷卻速度提出了苛刻的允許范圍,因此需要認(rèn)真考慮鐵損和銅損,保證溫升控制在允許的范圍內(nèi)。
總的來說，牽引電機(jī)設(shè)備要求具有魯棒性,強(qiáng)制要求采用空冷,而不是油來進(jìn)行冷卻,將發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)降低到最小以及能減少設(shè)備的大小和重量。但由于采用空冷以及具有磁伸縮特性的鐵芯材料使得降低噪音變得更加困難。因此，牽引電機(jī)的環(huán)境保護(hù)必須引起足夠的重視,將噪音控制在有限范圍內(nèi)。可以通過在電感器上繞勵(lì)磁線圈來減少銅損，并能夠滿足高頻應(yīng)用。
下一期內(nèi)容將繼續(xù)為大家從高頻應(yīng)用角度來分析電機(jī)材料，謝謝觀看！
