• 头条电动汽车永磁同步电机的铁心,是非晶合金好?还是硅钢好?
    2019-09-16 作者:朱健、曹君慈 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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    导语北京交通大学电气工程学院的研究人员朱健、曹君慈、刘瑞芳、丁宇行,在《电工技术学报》2018年增刊2上撰文(论文标题为“电动汽车用永磁同步电机铁心采用非晶合金与硅钢的性能比较”)指出,电动汽车用驱动电机设计制造工艺日趋成熟,从设计方面考虑电机性能的提升很难再有所突破。非晶合金是一种新型功能材料,具有高导磁率、低损耗及低矫顽力等优点,将其应用于电机定子铁心可以降低定子铁耗从而提高电机效率。为研究电机定子铁心采用非晶合金和硅钢对其性能的影响,本文对两台结构相同、定子铁心分别采用硅钢和非晶合金的永磁同步电机进行性能计算,对比硅钢电机和非晶合金电机的磁通密度分布、铁耗分布。随后对两台电机进行实验,得到硅钢电机和非晶合金电机的效率MAP图。结果表明,在高速区非晶合金电机相比硅钢电机具有铁耗低和效率高的优势,而在低速和大转矩下,其优势较小。

    随着全球能源危机加重,如何降低能源消耗,提升能源利用效率已成为各国关注的焦点。电动汽车可以实现零排放或近似零排放,能有效解决环境问题和能源危机,成为世界各国积极研讨的课题。永磁同步电机因具有调速性能好、功率密度高、运行较可靠等特性,已被广泛应用于电动汽车,其电机效率也备受关注。但随着电机频率的上升,电机的损耗会大幅增加,同时带来发热等问题,导致电动汽车续航能力差,安全性能下降,这些问题是由传统硅钢片材料的特性所决定的,因此可以考虑改变电机材料以改善这一情况。

    非晶合金材料具有高磁导率、低矫顽力和低损耗特性,它在一些领域正逐步取代传统硅钢片和铁氧体材料,成为一种新型的绿色材料。中国科学院物理研究所于2005年成功研制出新型非晶合金。耶鲁大学J. Schroeres等使用金属合金加工和制造非晶合金微纳米,目前非晶合金已广泛应用于变压器中,并取得很好的效果。

    与其他软磁材料相比,非晶合金材料在高频时铁耗较低,其在高频领域的应用已取得了良好的效果。例如在变压器上使用非晶合金材料替代传统的硅钢片可以大幅降低铁耗,从而提升效率,节约能源;非晶合金材料也在一部分异步电机上应用,经过参数调整,证明非晶合金应用于异步永磁电机定子铁心可大大降低电机的铁耗并提升电机效率;与此同时,非晶合金材料在电力电子等方面应用也较为成熟。因而进一步推广非晶合金材料的应用范围,能较好地解决我国能源利用效率低的问题,非晶合金在很多领域已经体现出很高的经济效益。

    本文针对电动汽车用永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)中非晶合金材料带来的性能改善展开研究。针对一台18kW永磁同步电机,制作两台相同结构、不同定子铁心材料的样机,其中一台定子铁心采用普通硅钢片,另外一台采用非晶合金。对比了两台电机的质量,采用电磁场数值计算方法求解两台电机的空载齿槽转矩、磁通密度分布和铁耗分布,并针对实验样机进行测量。

    电动汽车永磁同步电机的铁心,是非晶合金好?还是硅钢好?

    图14 电机实验平台

    结论

    本文针对两台18kW、定子铁心分别采用硅钢材料和非晶合金材料的永磁同步电机进行分析,建立了有限元分析模型。通过仿真验证非晶合金电机的铁耗远小于硅钢电机,分析了随着频率变化硅钢电机和非晶合金电机的铁耗变化趋势。

    通过对两台电机进行实验测试,证明了有限元模型的合理性和准确性;对比了两台电机的效率MAP图,从图15和图16中可看出非晶合金电机较硅钢电机在高速下效率更高,适用范围更广,用于电动汽车可以适应于更多的工况。但从图16中也可以看出,非晶合金电机在低转速、大转矩下存在电机效率较低且效率下降快的问题。为充分发挥非晶合金材料的优势,对非晶合金电机进行优化设计以进一步提高电机效率,是后续研究的主要内容。

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