图片来源：非晶中国大数据库
编者按：
在经济高速发展的现阶段，能源危机严重，如何降低能耗，提高效率，成为各国积极研究的课题。非晶材料具有高磁导率、低损耗的优势，将其应用于电磁装置能够提升效率，降低能耗。高速电机中采用非晶材料时，其效率明显高于硅钢电机，但是在非高速电机中非晶材料的优势是否仍然存在，还有待研究。本文针对采用非晶和硅钢时对电动汽车转向泵用永磁同步电动机的性能影响展开了对比研究。本文研究作者为北京交通大学硕士马昕。
1 引 言
首先，依据电机设计原理设计了一台1.5KW永磁同步电动机，定、转子铁心均采用硅钢，编写了永磁同步电动机电磁计算程序，计算了该电机的参数及运行性能。使用RMxprt软件对电机的主要性能参数进行了校核，验证了电磁计算程序的有效性。
其次，为了研究非晶材料和硅钢材料对电机的性能影响，在结构和绕组参数不变情况下，采用电磁场有限元软件，在空载磁场以及负载磁场下进行了性能比较。
提出了三种方案，第一种方案定、转子均采用硅钢；第二种方案为定子铁心用非晶，转子铁心用硅钢；第三种方案为定、转子均采用非晶。
分析了三种方案下电机的性能，硅钢电机的效率低于非晶电机；并且对比了两台非晶电机，发现转子采用非晶无明显优势。此外对比了定子铁心采用非晶材料的非晶电机和硅钢电机在50Hz—300Hz频率变化范围内的性能，分析了电流、转矩、铁损及效率随频率变化的趋势。
再次，为了验证有限元仿真结果的正确性，搭建了实验平台，针对上述定子采用非晶材料电机和硅钢电机进行实验对比研究。实验结果表明在非高速下非晶电机效率仍高于硅钢电机，与有限元分析结果相近。最后，为充分利用非晶材料优势，使用粒子群优化算法对电机进行了优化设计。选取电机定子槽型尺寸、永磁体尺寸等为优化变量，将电机效率、重量作为优化目标进行了计算，提出了一套优化方案。
2 研究背景和意义
近年来，能源供需矛盾和环境问题日趋严重，已经成为中国乃至世界亟需解决的问题。能源的消耗促进了经济的增长，但经济的高速增长反过来造成了能源的过度消耗以及环境的严重破坏。因此，各国都在积极寻找缓解能源危机的方法，提高能源利用率。
电动汽车的出现，响应了国家节能减排的号召，推进了“低碳经济”的发展。永磁同步电动机与异步电动机相比具有明显的优势，它体积小，重量轻，效率高，运行可靠；功率因数高，能力指标小，调速性能好，是当前电动汽车电机研发与应用的热点。电控、电机、电池是电动汽车的三大关键技术，其中蓄电池储电量是有限的，提升电机的效率，降低电机的耗电量，则可以增加蓄电池的使用时长。然而电机发展到一定程度，效率很难得到提升，从材料方面加以考虑，是一个突破方向。将非晶材料成功应用于电机领域，能够降低电机的铁耗，减少电能的消耗，对全球能源环境产生良好的影响。
3 国内外非晶合金电机研究现状
目前非晶材料已经在变压器、半导体以及电磁传感器等领域得到了广泛应用，但非晶材料在电机中的应用还处在研究阶段。对非晶电机的研究中，主要集中在振动与噪声、冷却系统与温升、电机设计与优化、电机控制研究及电机本体铁耗、性能等方面。目前，对非晶合金应用于异步电机和高速永磁同步电机中己经有初步探索。表3－1总结了目前非晶合金用于不同的小功率等级、不同类型时电机铁损和效率的变化。
表3－1 非晶合金用于不同类型电机的性能变化
从上表可以看出，使用非晶合金材料的小功率电机在运行于较高速情况时铁损得到显著降低，效率得到了提高，优势非常明显。但是在非高速电机中非晶材料的优势是否仍然存在，还是个未知的问题，低速时非晶合金电机与普通电机的性能对比还有待研究。
电机优化设计的研究表明，仅仅将非晶材料用于硅钢电机的设计中来代替硅钢片并不能完全发挥非晶材料的优势，故需对非晶电机进行优化设计。早期的电机优化设计大都依赖于科研人员的设计经验并使用手动计算方法来进行，任务不仅繁琐而且效率低下，还要求设计人员具有较高的专业水平，因此很难将其广泛应用于工程领域中。
4 永磁同步电动机电磁设计
永磁同步电动机体积小、重量轻，具有良好的控制和过载能力，功率和转矩密度较高。与异步电机相比，永磁同步电机的高功率因数可以减小定子电流，降低定子铜耗，进而提升电机的效率，因此在电动汽车中有良好的应用价值。本章从永磁同步电机电磁设计原理入手，根据设计任务书要求，通过电机的主要尺寸选取、定转子槽及绕组设计、永磁体尺寸设计、材料的选取等方面，设计了一台额定功率为1.5KW，额定转速为1200r/min的永磁同步电机。
以MATLAB软件为平台，编写了计算和分析电机性能的电磁程序，校核了电机绕组、磁路、参数以及工作特性。并且采用RMxprt软件进行了校验，验证了电磁计算程序的有效性，为后续粒子群优化算法调用底层电磁计算程序打下了基础。从表4－1可以看出，电机主要参数的MATLAB电磁计算结果和RMxprt软件仿真结果接近。由于电磁计算中存在着误差，故与RMxprt仿真结果有些差异。从效率方面来看，以电磁计算程序为基准计算效率的相对误差，两种计算方法所得效率的相对误差仅为0.27%，验证了电磁计算程序对电机电磁性能计算的有效性。
表4－1 电磁计算与RMxprt校核结果比较
5 非晶电机与硅钢电机性能对比
本章对相同结构的非晶电机和硅钢电机进行了电磁场空载和负载磁场仿真分析，研究结果表明与硅钢电机相比，非晶1号电机的效率高出1.7%，非晶2号电机的效率高出1.72%，验证了非晶电机在降低铁损、提高电机效率方面的优势。此外还分别在50-300Hz下分析了硅钢电机和非晶1号电机的性能变化规律，结果表明，随着频率的升高，非晶电机的效率提升越多。通过分析电机重量降低、铁损减小、效率提升三个指标，可知将非晶材料应用于小功率、低转速永磁同步电机中，效率能够得到提升。但通过非晶2号电机的对比分析，非晶材料用于电机转子上并未起到显著作用，因此，从经济性角度分析，不建议将非晶材料用于电机转子铁心中。
6 非晶电机与硅钢电机实验对比
6.1 试验平台构成
图6－1是试验电机。左图为实际封装的两台电机，右图为未完全封装的电机。
图6-1 试验电机样机
实验平台如图6－2所示，给被试电机施加电压激励，使得电机旋转起来，通过测功机对电机施加转矩，功率分析仪将采集到的电压、电流等实验数据集成到测功机控制系统中，实验结果通过测功机输出。转矩仪位于两个电动机之间以测量转矩，速度传感器测量旋转速度。
图6－2 电机实验平台
6.2 实验过程及结果分析
6.2.1 实验过程
实验分为两个部分。第一部分是对电机冷态电阻的测量，第二部分是电机的负载测量。
（1） 绕组电阻测量
使用电阻测试仪测量电机绕组任意两相出线间的电阻，多次测量求平均值。
测量原理：使用电阻测试仪，在电机两两出线端测量电阻，测量的电阻为两相之间串联的电阻，而电阻的计算需要的是电机一相绕组的冷态电阻，需要经过计算得到。电阻测量结果如表6－1所示。
表6－1 电阻测量结果
（2） 电机负载测量
电机冷态电阻测量完毕后，进行电机负载测量。给被试电机施加电压，使得电机旋转起来，电机平稳运行30min后，通过测功机给电机施加负载转矩，转速转矩测量仪位于被试电机以及转速转矩测量仪之间来测量电机的转矩和转速，实验数据通过测功机集成到测功机控制系统中，并集中于电脑中，通过配套软件进行输出。
6.2.2 实验结果
两台电机运行于100Hz下，带相同12N·m负载转矩进行测量，记录电压、电流、转速、转矩等结果。测量结果与有限元计算结果的比较见表6－2。试验结果中非晶电机的效率为95.60%，硅钢电机的效率为94.20%，非晶电机比硅钢电机的效率高1.40%，计算结果非晶电机比硅钢电机效率高1.70%，与试验结果相近，验证了仿真结果的有效性。实验结果表明，非晶材料在小功率、低转速情况下，依旧能够降低铁耗，提升电机的效率。由于仿真和实验过程中均不可避免存在误差，故实验效率较仿真效率高一些。从表6－2中可以看出，误差主要是由电流不同引起的。
表6－2 实验测量结果
同时，保持相同的频率，在100Hz下观察两台电机分别在在不同负载转矩下的效率。从图6－1中可以直观地看出，在相同频率，不同负载转矩下，非晶电机的效率依然比硅钢电机要高，验证了非晶材料用于电机可以提升电机效率的优势。在额定转速1200r/min，转矩为12N·m时，非晶电机的效率比硅钢电机高出最多。
图6－1 不同负载转矩下两电机的效率对比
从图6-2中看出，两台电机在不同转矩下的电流基本一致，非晶电机略微高于硅钢电机，差值不大于0.2A。
图6-2 不同负载转矩下两电机的电流对比
7 非晶电机优化设计
本章研究了粒子群优化算法基本原理，并将其应用于非晶电机的优化设计中。选取了相应的优化变量，确定了优化变量的范围，建立了优化目标函数，明确了目标函数的约束条件，将粒子群优化算法与电机优化设计结合起来，以目标函数作为接口调用了电磁计算程序来进行优化设计，提出了一套非晶电机优化方案。使用电磁计算程序计算了原非晶电机的性能，与优化设计后的非晶电机的性能进行对比，并通过RMxprt软件对优化设计电机进行了校验。非晶电机原方案与优化设计结果对比见表7-1。
表7－1 非晶电机原方案与优化设计结果对比
8 总结与展望
8.1 总结
本文针对非晶材料用于电动汽车转向泵永磁同步电机对电机效率的提升方面开展了研究，完成的主要工作如下：
（1） 设计了一台1.5KW永磁同步电动机。根据永磁同步电机的设计原理，编写了电机电磁计算程序，计算了电机的参数和性能，并通过商用软件RMxprt校核了所设计电机的性能，验证了电磁计算程序的正确性与有效性。
（2） 完成了非晶电机和硅钢电机的性能对比分析。针对定转子均采用硅钢的硅钢电机、仅定子采用非晶材料的非晶1号电机、定转子均采用非晶材料的非晶2号电机进行了有限元分析。分别在空载电磁场和负载电磁场下对三台电机进行了对比分析。在100Hz，1200r/min下计算了三台电机的效率，并进行了对比分析。结果表明非晶材料可以在非高速下降低小功率电机的铁损，提升电机效率。对比两台非晶电机，定转子均采用非晶材料的非晶2号电机效率并没有得到很大的提升，经济性不高。在50-300Hz下对比了非晶1号电机和硅钢电机效率，发现随着频率升高，非晶电机的效率提升越多。
（3） 设计了电机实验方案并搭建了电机实验平台，针对非晶1号电机和硅钢电机进行负载试验。在100Hz，1200r/min对两台电机进行实验。对比分析了实验结果和有限元计算结果，验证了有限元分析的正确性。并在相同频率，不同负载转矩下两台电机进行实验，结果表明在不同负载转矩下，非晶电机的效率均比硅钢电机高。
（4） 对非晶1号电机进行了优化设计。使用粒子群算法调用第二章编写的电磁计算程序对非晶电机进行优化设计，提出了一套优化设计方案，与原先方案进行对比，并使用RMxprt对粒子群优化设计的新电机进行了校核，验证了优化设计方案的有效性。
8.2 展望
本文对非晶材料用于永磁同步电动机带来的性能改善进行了深入研究，但以下几个方面仍需进一步讨论。
（1） 在电机电磁计算程序的编写方面，仅用了MATLAB软件进行了程序的编写，后续可以设计一个程序界面，将输入量与输出量更直观、清楚的用软件展现出来；
（2） 在对非晶电机的优化设计中，由于时间、精力有限，并没有进行有限元分析，后续可以进行有限元分析，并制作电机样机进行实验对比分析。