圖片來源：非晶中國大資料庫
編者按：
在經濟高速發展的現階段，能源危機嚴重，如何降低能耗，提高效率，成為各國積極研究的課題。非晶材料具有高磁導率、低損耗的優勢，將其應用於電磁裝置能夠提升效率，降低能耗。高速電機中採用非晶材料時，其效率明顯高於矽鋼電機，但是在非高速電機中非晶材料的優勢是否仍然存在，還有待研究。本文針對採用非晶和矽鋼時對電動汽車轉向泵用永磁同步電動機的性能影響展開了對比研究。本文研究作者為北京交通大學碩士馬昕。
1 引 言
首先，依據電機設計原理設計了一台1.5KW永磁同步電動機，定、轉子鐵心均採用矽鋼，編寫了永磁同步電動機電磁計算程序，計算了該電機的參數及運行性能。使用RMxprt軟體對電機的主要性能參數進行了校核，驗證了電磁計算程序的有效性。
其次，為了研究非晶材料和矽鋼材料對電機的性能影響，在結構和繞組參數不變情況下，採用電磁場有限元軟體，在空載磁場以及負載磁場下進行了性能比較。
提出了三種方案，第一種方案定、轉子均採用矽鋼；第二種方案為定子鐵心用非晶，轉子鐵心用矽鋼；第三種方案為定、轉子均採用非晶。
分析了三種方案下電機的性能，矽鋼電機的效率低於非晶電機；並且對比了兩台非晶電機，發現轉子採用非晶無明顯優勢。此外對比了定子鐵心採用非晶材料的非晶電機和矽鋼電機在50Hz—300Hz頻率變化範圍內的性能，分析了電流、轉矩、鐵損及效率隨頻率變化的趨勢。
再次，為了驗證有限元仿真結果的正確性，搭建了實驗平台，針對上述定子採用非晶材料電機和矽鋼電機進行實驗對比研究。實驗結果表明在非高速下非晶電機效率仍高於矽鋼電機，與有限元分析結果相近。最後，為充分利用非晶材料優勢，使用粒子群優化算法對電機進行了優化設計。選取電機定子槽型尺寸、永磁體尺寸等為優化變量，將電機效率、重量作為優化目標進行了計算，提出了一套優化方案。
2 研究背景和意義
近年來，能源供需矛盾和環境問題日趨嚴重，已經成為中國乃至世界亟需解決的問題。能源的消耗促進了經濟的增長，但經濟的高速增長反過來造成了能源的過度消耗以及環境的嚴重破壞。因此，各國都在積極尋找緩解能源危機的方法，提高能源利用率。
電動汽車的出現，響應了國家節能減排的號召，推進了「低碳經濟」的發展。永磁同步電動機與異步電動機相比具有明顯的優勢，它體積小，重量輕，效率高，運行可靠；功率因數高，能力指標小，調速性能好，是當前電動汽車電機研發與應用的熱點。電控、電機、電池是電動汽車的三大關鍵技術，其中蓄電池儲電量是有限的，提升電機的效率，降低電機的耗電量，則可以增加蓄電池的使用時長。然而電機發展到一定程度，效率很難得到提升，從材料方面加以考慮，是一個突破方向。將非晶材料成功應用於電機領域，能夠降低電機的鐵耗，減少電能的消耗，對全球能源環境產生良好的影響。
3 國內外非晶合金電機研究現狀
目前非晶材料已經在變壓器、半導體以及電磁傳感器等領域得到了廣泛應用，但非晶材料在電機中的應用還處在研究階段。對非晶電機的研究中，主要集中在振動與噪聲、冷卻系統與溫升、電機設計與優化、電機控制研究及電機本體鐵耗、性能等方面。目前，對非晶合金應用於異步電機和高速永磁同步電機中己經有初步探索。表3－1總結了目前非晶合金用於不同的小功率等級、不同類型時電機鐵損和效率的變化。
表3－1 非晶合金用於不同類型電機的性能變化
從上表可以看出，使用非晶合金材料的小功率電機在運行於較高速情況時鐵損得到顯著降低，效率得到了提高，優勢非常明顯。但是在非高速電機中非晶材料的優勢是否仍然存在，還是個未知的問題，低速時非晶合金電機與普通電機的性能對比還有待研究。
電機優化設計的研究表明，僅僅將非晶材料用於矽鋼電機的設計中來代替矽鋼片並不能完全發揮非晶材料的優勢，故需對非晶電機進行優化設計。早期的電機優化設計大都依賴於科研人員的設計經驗並使用手動計算方法來進行，任務不僅繁瑣而且效率低下，還要求設計人員具有較高的專業水平，因此很難將其廣泛應用於工程領域中。
4 永磁同步電動機電磁設計
永磁同步電動機體積小、重量輕，具有良好的控制和過載能力，功率和轉矩密度較高。與異步電機相比，永磁同步電機的高功率因數可以減小定子電流，降低定子銅耗，進而提升電機的效率，因此在電動汽車中有良好的應用價值。本章從永磁同步電機電磁設計原理入手，根據設計任務書要求，通過電機的主要尺寸選取、定轉子槽及繞組設計、永磁體尺寸設計、材料的選取等方面，設計了一台額定功率為1.5KW，額定轉速為1200r/min的永磁同步電機。
以MATLAB軟體為平台，編寫了計算和分析電機性能的電磁程序，校核了電機繞組、磁路、參數以及工作特性。並且採用RMxprt軟體進行了校驗，驗證了電磁計算程序的有效性，為後續粒子群優化算法調用底層電磁計算程序打下了基礎。從表4－1可以看出，電機主要參數的MATLAB電磁計算結果和RMxprt軟體仿真結果接近。由於電磁計算中存在著誤差，故與RMxprt仿真結果有些差異。從效率方面來看，以電磁計算程序為基準計算效率的相對誤差，兩種計算方法所得效率的相對誤差僅為0.27%，驗證了電磁計算程序對電機電磁性能計算的有效性。
表4－1 電磁計算與RMxprt校核結果比較
5 非晶電機與矽鋼電機性能對比
本章對相同結構的非晶電機和矽鋼電機進行了電磁場空載和負載磁場仿真分析，研究結果表明與矽鋼電機相比，非晶1號電機的效率高出1.7%，非晶2號電機的效率高出1.72%，驗證了非晶電機在降低鐵損、提高電機效率方面的優勢。此外還分別在50-300Hz下分析了矽鋼電機和非晶1號電機的性能變化規律，結果表明，隨著頻率的升高，非晶電機的效率提升越多。通過分析電機重量降低、鐵損減小、效率提升三個指標，可知將非晶材料應用於小功率、低轉速永磁同步電機中，效率能夠得到提升。但通過非晶2號電機的對比分析，非晶材料用於電機轉子上並未起到顯著作用，因此，從經濟性角度分析，不建議將非晶材料用於電機轉子鐵心中。
6 非晶電機與矽鋼電機實驗對比
6.1 試驗平台構成
圖6－1是試驗電機。左圖為實際封裝的兩台電機，右圖為未完全封裝的電機。
圖6-1 試驗電機樣機
實驗平台如圖6－2所示，給被試電機施加電壓激勵，使得電機旋轉起來，通過測功機對電機施加轉矩，功率分析儀將採集到的電壓、電流等實驗數據集成到測功機控制系統中，實驗結果通過測功機輸出。轉矩儀位於兩個電動機之間以測量轉矩，速度傳感器測量旋轉速度。
圖6－2 電機實驗平台
6.2 實驗過程及結果分析
6.2.1 實驗過程
實驗分為兩個部分。第一部分是對電機冷態電阻的測量，第二部分是電機的負載測量。
（1） 繞組電阻測量
使用電阻測試儀測量電機繞組任意兩相出線間的電阻，多次測量求平均值。
測量原理：使用電阻測試儀，在電機兩兩齣線端測量電阻，測量的電阻為兩相之間串聯的電阻，而電阻的計算需要的是電機一相繞組的冷態電阻，需要經過計算得到。電阻測量結果如表6－1所示。
表6－1 電阻測量結果
（2） 電機負載測量
電機冷態電阻測量完畢後，進行電機負載測量。給被試電機施加電壓，使得電機旋轉起來，電機平穩運行30min後，通過測功機給電機施加負載轉矩，轉速轉矩測量儀位於被試電機以及轉速轉矩測量儀之間來測量電機的轉矩和轉速，實驗數據通過測功機集成到測功機控制系統中，並集中於電腦中，通過配套軟體進行輸出。
6.2.2 實驗結果
兩台電機運行於100Hz下，帶相同12N·m負載轉矩進行測量，記錄電壓、電流、轉速、轉矩等結果。測量結果與有限元計算結果的比較見表6－2。試驗結果中非晶電機的效率為95.60%，矽鋼電機的效率為94.20%，非晶電機比矽鋼電機的效率高1.40%，計算結果非晶電機比矽鋼電機效率高1.70%，與試驗結果相近，驗證了仿真結果的有效性。實驗結果表明，非晶材料在小功率、低轉速情況下，依舊能夠降低鐵耗，提升電機的效率。由於仿真和實驗過程中均不可避免存在誤差，故實驗效率較仿真效率高一些。從表6－2中可以看出，誤差主要是由電流不同引起的。
表6－2 實驗測量結果
同時，保持相同的頻率，在100Hz下觀察兩台電機分別在在不同負載轉矩下的效率。從圖6－1中可以直觀地看出，在相同頻率，不同負載轉矩下，非晶電機的效率依然比矽鋼電機要高，驗證了非晶材料用於電機可以提升電機效率的優勢。在額定轉速1200r/min，轉矩為12N·m時，非晶電機的效率比矽鋼電機高出最多。
圖6－1 不同負載轉矩下兩電機的效率對比
從圖6-2中看出，兩台電機在不同轉矩下的電流基本一致，非晶電機略微高於矽鋼電機，差值不大於0.2A。
圖6-2 不同負載轉矩下兩電機的電流對比
7 非晶電機優化設計
本章研究了粒子群優化算法基本原理，並將其應用於非晶電機的優化設計中。選取了相應的優化變量，確定了優化變量的範圍，建立了優化目標函數，明確了目標函數的約束條件，將粒子群優化算法與電機優化設計結合起來，以目標函數作為接口調用了電磁計算程序來進行優化設計，提出了一套非晶電機優化方案。使用電磁計算程序計算了原非晶電機的性能，與優化設計後的非晶電機的性能進行對比，並通過RMxprt軟體對優化設計電機進行了校驗。非晶電機原方案與優化設計結果對比見表7-1。
表7－1 非晶電機原方案與優化設計結果對比
8 總結與展望
8.1 總結
本文針對非晶材料用於電動汽車轉向泵永磁同步電機對電機效率的提升方面開展了研究，完成的主要工作如下：
（1） 設計了一台1.5KW永磁同步電動機。根據永磁同步電機的設計原理，編寫了電機電磁計算程序，計算了電機的參數和性能，並通過商用軟體RMxprt校核了所設計電機的性能，驗證了電磁計算程序的正確性與有效性。
（2） 完成了非晶電機和矽鋼電機的性能對比分析。針對定轉子均採用矽鋼的矽鋼電機、僅定子採用非晶材料的非晶1號電機、定轉子均採用非晶材料的非晶2號電機進行了有限元分析。分別在空載電磁場和負載電磁場下對三台電機進行了對比分析。在100Hz，1200r/min下計算了三台電機的效率，並進行了對比分析。結果表明非晶材料可以在非高速下降低小功率電機的鐵損，提升電機效率。對比兩台非晶電機，定轉子均採用非晶材料的非晶2號電機效率並沒有得到很大的提升，經濟性不高。在50-300Hz下對比了非晶1號電機和矽鋼電機效率，發現隨著頻率升高，非晶電機的效率提升越多。
（3） 設計了電機實驗方案並搭建了電機實驗平台，針對非晶1號電機和矽鋼電機進行負載試驗。在100Hz，1200r/min對兩台電機進行實驗。對比分析了實驗結果和有限元計算結果，驗證了有限元分析的正確性。並在相同頻率，不同負載轉矩下兩台電機進行實驗，結果表明在不同負載轉矩下，非晶電機的效率均比矽鋼電機高。
（4） 對非晶1號電機進行了優化設計。使用粒子群算法調用第二章編寫的電磁計算程序對非晶電機進行優化設計，提出了一套優化設計方案，與原先方案進行對比，並使用RMxprt對粒子群優化設計的新電機進行了校核，驗證了優化設計方案的有效性。
8.2 展望
本文對非晶材料用於永磁同步電動機帶來的性能改善進行了深入研究，但以下幾個方面仍需進一步討論。
（1） 在電機電磁計算程序的編寫方面，僅用了MATLAB軟體進行了程序的編寫，後續可以設計一個程序介面，將輸入量與輸出量更直觀、清楚的用軟體展現出來；
（2） 在對非晶電機的優化設計中，由於時間、精力有限，並沒有進行有限元分析，後續可以進行有限元分析，並製作電機樣機進行實驗對比分析。