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取向電工鋼在超高速電機中的應(yīng)用（一）

2021年07月07日

簡介

電工鋼是電動汽車牽引電機的核心磁性材料之一。但是由于飽和磁通密度和磁導率有限，傳統(tǒng)的非晶粒取向(NGO) 硅鋼逐漸難以滿足電動車牽引電機的高功率密度和高扭矩密度的需求。因此在深入分析了牽引電機的磁飽和、功率損耗、熱導率和機械性能后，我們提出了一種能夠適應(yīng)高頻（50Hz-400Hz）和高扭矩運行狀態(tài)的新型薄型各向異性晶粒取向（GO）硅鋼用于高速（高達14500rpm）牽引電機。它采用了NGO和GO鋼的組合設(shè)計，以避免橫向低磁導率。

取向硅鋼是一種軟磁材料，用作電力變壓器的磁芯材料。它的特點是具有明顯的Goss 織構(gòu)，即 110 <001> 優(yōu)先晶體取向。無取向硅鋼晶粒結(jié)構(gòu)雜亂無序，混雜著大量雜亂不同的紋理。目前，永磁同步電機（PMSM）的核心部件大部分是無取向硅鋼片層壓而成。因此，隨著電機系統(tǒng)小型化、高密度化的發(fā)展趨勢，未來對鐵芯硅鋼材料的高飽和磁通密度和低鐵損將成為主要要求。但由于NGO硅鋼本身硅含量低（硅含量低于3.5%）和金相組織的限制，NGO硅鋼將越來越難以滿足新型電機的設(shè)計要求。

截至目前為止，已經(jīng)進行了多項研究來解決這個問題：Tao.F等人使用非晶材料和NGO硅鋼作為鐵芯制造了一個 20kW永磁同步電機。優(yōu)化后的非晶電機體積減小了 31%，在相同功率條件下，功率密度提高了45%。實驗表明，使用無定形材料作為定子鐵芯可以大大提高功率密度。Yu-dai.M 等人提出了一種新型開關(guān)磁阻電機（SRM），其轉(zhuǎn)子設(shè)計為 GO電工鋼的分段結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng) SRM 性能相比，GO鋼 SRM 輸出扭矩提高 4.1%，效率提高 2.8%，渦流損耗降低 7.0%，鐵損總共降低 19.2%。這些結(jié)果證明了新一代電機系統(tǒng)中，GO鋼作為鐵芯所具備的優(yōu)越性能。

因此，我們設(shè)計了一種12 槽 8 極集中繞組的新型高速牽引電機。額定/峰值工況下功率為16kW/32kW，最高轉(zhuǎn)速可達14500rpm。目前已經(jīng)完成了數(shù)值建模和實驗結(jié)果的研究。新原型機正在制造中，未來幾年可以量產(chǎn)。

與非取向硅鋼相結(jié)合的取向硅鋼定子設(shè)計

GO硅鋼的含硅量（含硅量3%-6.5%）高于NGO硅鋼，晶粒組織沿軋制方向呈現(xiàn)強取向。在偏離軋制方向0°到20°之間的磁性能明顯優(yōu)于NGO。也因此，導致GO硅鋼偏離軋制方向40°到 60°之間的電磁性能比 NGO硅鋼相差很多。為了驗證結(jié)論，GO和NGO鐵芯在不同電流激勵下進行了多次比較。在實驗中測量了不同的 B-H-P 曲線。