非晶材料在高空飞行器用高速电机中的应用研究

高空飞行器用无刷电机由于具有高速的要求,而传统的硅钢材料电机在高速下铁耗较大,电机效率低发热大,为了提升电机的性能,采用了非晶合金材料代替硅钢材料的措施。为了研究措施的可行性和有效性,本文对非晶合金材料和硅钢材料的特性进行了对比,分析电机定子铁心采用两种材料对其性能的影响,并通过实验测试结果对比,证明了非晶合金材料对高速高频电机的性能提升具有明显的效果。     

非晶合金铁心叠片导热系数测试与电机热分析

为了研究定子铁心采用非晶合金材料对永磁电机温度分布的影响,首先基于无限大平板层法对两种叠压系数非晶合金铁心试样轴向叠片的导热系数进行测试;然后利用电磁场软件对两台定子铁心分别采用非晶合金材料和硅钢片材料、其余结构尺寸完全相同的1.6 k W永磁同步电机的损耗进行计算,在此基础上对两台电机的三维温度场进行仿真分析,并对比分析了硅钢片电机和非晶合金电机的温度分布规律;最后对这两台电机进行了温升试验,并将试验数据与计算结果进行对比,验证了分析、计算的有效性。     

非晶合金电机空载铁耗研究

为了体现非晶合金低损耗性能的优越性,对1台15 k W、1 000 Hz电机进行空载铁耗仿真计算分析。电机定子铁心为非晶合金材料,定子铁心采用浸漆、固化加工工艺。电机空载铁耗的计算主要包括非晶定子基本铁耗的分离以及空载杂散损耗的计算,得出了非晶合金电机杂散损耗是基本铁耗的6.03倍;并与定子为50DW310时进行对比,得出空载运行时,非晶合金空载铁耗约为硅钢片50DW310的18.82%,电机的效率可以提高3.48个百分点。     

永磁同步电动机定子铁心采用非晶与硅钢的性能对比

非晶合金具有高磁导率、低矫顽力、低损耗的优势,将其应用于电磁装置以提升性能成为当前的研究热点。针对非晶材料在高速电机中的效率提升已有许多研究,为研究较低转速下非晶材料对电机性能的影响,制作了两台电动汽车转向泵用1.5 kW永磁同步电动机,其中一台的定子铁心采用非晶材料,另一台采用普通硅钢材料。采用电磁场有限元法求解了两台电机在低速下的磁场分布、定子铁心损耗分布和效率。计算结果表明,非晶材料同样能够提升低速电机性能。然后在不同供电频率下进行了计算,结果表明:频率越高,非晶电机的效率高于硅钢电机越多。搭建了实验平台,测试结果表明,在100 Hz、1200 r/min时非晶合金电机效率比硅钢电机高1.4%,与仿真结果一致。     

高速开关磁阻电机用纳米晶定子铁心磁特性研究

以1台4/2极结构高速开关磁阻电机(SRM)为研究对象,研究纳米晶铁心磁特性及其对电机性能的影响。将采用叠块切割法制备的纳米晶定子铁心与传统硅钢冲片铁心做对比测试。搭建电机测试系统,对分别装配两种定子铁心电机的静态特性和负载运行性能做对比分析。结果表明:纳米晶合金铁心具有高磁导率、低矫顽力及低损耗特性,在1 kHz、1 T条件下,其损耗仅为35W300硅钢铁心的1/20;纳米晶合金铁心提高了SRM在铁心不饱和区的相电感峰值,并在转速25 000 r/min负载运行下显著降低了电机温升和输入功率。研究结果可为高效、高速SRM设计提供参考。     

非晶合金永磁电机负载损耗及效率特性分析

为了研究采用非晶合金材料代替硅钢片材料制作铁心后,永磁电机在负载运行时的损耗与效率的变化规律,研制了两台相同结构尺寸参数的非晶合金永磁电机和硅钢片永磁电机。利用实验方法测试了两台电机在相同运行工况下的损耗与效率特性,并借助有限元方法对两台电机不同负载率时的损耗进行了对比分析。结果显示,轻载时,非晶合金永磁电机定子铁心损耗低于硅钢片电机,效率优势明显;但随着负载率的增加,非晶合金电机定子铁心饱和严重,导致绕组磁动势波形畸变,由绕组磁动势谐波引起的损耗高于硅钢片电机,非晶合金电机效率优势随负载率的增加逐渐减小。     

基于计算流体力学的非晶合金轴向磁通永磁电机冷却系统设计

采用一种新型材料——非晶合金作为轴向磁通永磁(AFPM)电机的定子铁心。研制非晶合金和硅钢片两种材料的定子铁心,对其损耗特性进行对比,实验数据显示非晶合金替代常规硅钢片作为电机铁心,能够降低电机的铁耗,但是同时由于高频率的选择使得电机转子部分等损耗有所增加。为进一步提高非晶合金轴向磁通永磁电机冷却效率,优化电机设计保证电机的安全运行,对该类电机的冷却系统进行设计。研究四种冷却结构并建立相应的三维流体场数学模型和物理模型,基于计算流体力学(CFD)理论基础,通过有限体积法,在相同的计算条件、网格划分前提下,研究四种冷却结构的热特性和流动特性。优选出螺旋型结构并对其进行具体尺寸参数设计,最后对无隔水板和螺旋结构进行温升试验。试验结果表明,螺旋结构的绕组和转子冷却效率高出无隔水板结构33.1%和26.5%,为该类新型材料的永磁电机冷却结构设计及电磁方案优化提供了指导。     

非晶电机的优势及其研究进展

通过对比铁基非晶合金和硅钢材料的软磁性能,总结了非晶合金材料应用于电机定子铁心在提高电机效率、节约能源和原材料以及环境保护等方面均具有的显著优势。综述了国内外非晶电机的研究和进展,并展望了非晶电机的发展前景。     

Demonstration of loss reduction effect of 66 kV‐classed 30 MVA three phase hybrid‐core transformer by trial manufacture

To realize larger‐capacity “Hybrid‐core transformer: HBT”, this research has assembled a 30‐MVA three‐phase trial HBT and evaluated the loss performances. The hybrid‐core consisting of the wound amorphous‐ and the stacked silicon steel‐cores, is expected having advantages of lower iron loss of the iron‐based amorphous material and the higher mechanical strength and saturation magnetic flux density of the silicon steels simultaneously. Three‐dimensional finite‐element method analysis revealed that the silicon steel core prevented over‐saturation of the amorphous core. The hybrid configuration enabled the design to have an approximately 10% higher magnetic flux density than configurations with only an amorphous core. We then assembled a prototype 30‐MVA three‐phase HBT designed on the basis of our investigation results. Operation tests demonstrated that the HBT has 62%‐reduced iron loss and 0.10%‐higher 50%‐loaded power efficiency from the conventional silicon steel core transformer.     

基于响应面法的电动汽车用非晶合金永磁同步电机优化设计

为提升电动汽车用永磁同步电机效率,提出采用高磁导率、低损耗非晶合金定子铁心代替传统硅钢定子。首先,基于有限元法分析直接替换现有硅钢定子的永磁同步电机转矩性能不达标,其次,在外形尺寸、槽面积不变及转矩性能不降低的前提下,以效率为优化目标,以定子齿宽以及永磁体宽度为优化变量,采用响应面法对非晶合金定子永磁同步电机进行优化设计。最后通过优化前后效率及转矩对比,说明了非晶合金电机在效率提升方面的优越性。     

定转子材料组合方式对再制造电机性能影响

为节约资源和提升原电机性能,将非晶材料与硅钢材料组合应用于定转子铁心进行电机再制造。根据定转子材料不同组合方式提出3种再制造方案,基于Ansoft Maxwell分析了不同组合方式对再制造电机磁密、转矩及脉动、铁耗、效率和齿槽转矩等性能的影响,确定了最佳再制造方案,并基于近似叠加算法,采用分段设置定子斜槽削弱了齿槽转矩。与原电机相比,再制造电机铁耗降低51.73%,转矩提高1.43%,转矩脉动降低6.45%,效率提升0.75%,齿槽转矩优化后降低为原电机的19%,表明了再制造电机的优越性     

Demonstration of Loss‐reduction Effect of the Amorphous Cores for Larger‐Capacity Transformers by Trial Manufacture

For the demonstration of feasibility and loss‐reduction effect of the larger‐capacity amorphous core transformers (AMT), this paper proposed the support structure and design method of the iron‐loss reduced amorphous wound cores with a weight of 7 tons. We designed and manufactured 10 MVA single‐phase test model with the cores inserted in a support cage having structures of the stress‐buffered core support, the proof electromagnetic force from the windings, and the stray loss‐reducing shields. The 50%‐loaded total loss of the test model estimated from the calculated and measured results has been reduced by 35% compared with a conventional silicon‐steel core transformer (SST) with the same power capacity.     

非晶合金转子铁心对再制造电机性能的影响

用铁基非晶合金转子铁心替换原电机中的硅钢转子铁心,基于有限元软件Ansoft分析了非晶转子铁心替换对电机性能的影响。与原电机相比,再制造电机的转矩提升了2.6%,效率提高了0.05%,齿槽转矩幅值大幅增加。采用定子斜槽削弱其齿槽转矩,当斜槽精确为一个齿距时,电机的齿槽转矩幅值为0.128 N·m,相比于未采用斜槽时的再制造电机减小了92.36%,相比于原电机减小了38.46%。     

Novel Two-Phase Switched Reluctance Machine Using Common-Pole E-Core Structure: Concept, Analysis, and Experimental Verification

A novel two-phase switched reluctance machine (SRM) with a stator composed of E-core structure having minimum stator core iron is proposed. The E-core stator has three poles with two poles at the ends having windings and a center pole containing no copper windings. The center stator pole in the E-core is shared by both phases during operation. The air gap around the common stator pole has constant and minimum reluctance irrespective of rotor position by its unique design, and the two remaining stator poles at the ends experience variable reluctance with respect to rotor position. The stator is constructed with two independent and physically separate E-cores, and the rotor is composed of ten poles. Other pole combinations are possible. Phase excitation in the novel SRM gives short flux paths, hence reducing the magnetomotive force required to drive the machine, resulting in significant reduction of copper wire and core losses compared to existing two-phase SRMs with flux paths that traverse the entire stator back iron. The concept and principle of operation of this novel SRM and its comparison to existing two-phase SRMs are detailed in this paper. Comparison between finite-element simulations and magnetic equivalent circuit (MEC) analysis for inductance are made and compared to experimentally measured characteristics. Furthermore, comparisons between a conventional two-phase SRM and the novel SRM are made in terms of its weight and output torque. Manufacturability and cost savings of the unique SRM structure are presented. It is shown that the E-core SRM using common stator pole has 50% less iron in the magnetic path compared to a conventional two-phase SRM.      

基于ANSYS的高速感应电机设计

设计了一台额定功率2 kW,额定转速59000 r/min的高速感应电机。根据电机在高速运行时带来的高损耗,选取了性能更好的铁基纳米晶合金作为高速感应电机的定子铁心材料。对于感应电机在高转差率时产生的高谐波转矩,通过采用带端环的闭口圆形槽转子,使电机具有较高的起动电阻,从而获得优良的起动及运行特性,利用ANSYS软件对其转子结构进行应力分析,并验证在高转速下的可靠性。建立了高速感应电机的有限元模型,通过与相同结构参数的硅钢DW310_35电机进行性能对比。结果显示,采用铁基纳米晶合金1K107定子铁心的电机相比硅钢DW310_35电机,总损耗减小了81.2 W,效率提高了4.5%,功率因数提高了0.031。     

开关磁阻电机相绕组匝数对性能影响的分析与设计

分析开关磁阻电机相绕缓刑 由数对电机性能的影响,并对开关磁阻电机进行了仿真计算。在理论分析与仿真的基础上提出了新的开关磁阻电机相绕组匝数的设计方法,以此方法设计了一台８／６结构ＩＫＷ开关磁阻电机,经试验达到了较好的性能。     

水电站水轮发电机定子铁心铁损试验的现场实施

结合万家寨水电站5号机组A级检修定子铁损试验的现场情况,对定子铁损试验的现场实施、试验数据和结果以及现场试验条件与漏磁对该项试验的影响等进行了详细分析。定子铁损试验结果,检验了对5号发电机定子铁心溢出情况处理后的效果,经过处理的部分,温度、温升不明显,说明经过处理的矽钢片片间绝缘未损坏。针对万家寨水电站定子铁损试验的情况,对该项试验在现场实施过程中的试验电源选择、试验接线方法、温度测量、计算分析等方面提出建议。     

开关磁阻电机转子动力学建模与分析

超高速电机和普通电机相比,在功率密度、体积重量和传动效率上具有明显的优势,在航空航天、能源、高速加工等军事和民用领域具有广泛的应用前景。由于开关磁阻电机(SRM)具有结构简单坚固,转子上无永磁体和绕组,对高温等恶劣环境适应能力强等优点,最具开发成超高速电机的潜力。转子动力学设计是旋转机械设计中的重要环节。本文计算了开关磁阻电机偏心转子在各种电流和偏心度下的不平衡磁拉力,并在此基础上提出了开关磁阻电机不平衡磁拉力特有的脉冲性。作者建立了开关磁阻电机转子动力学模型,实现离心力和电磁力的解耦,并进行了一系列的仿真,为高速开关磁阻电机的设计提供参考依据。     

YE4电机定转子铁心制造工艺的研究

针对YE4电机开发需提高铁心制造精度的要求,通过对冲压模具的设计、材料选择和处理以及和冲床、硅钢材料的配合研究入手,减少了冲片毛刺高度。改进定子铁心装压的方法,提高了叠压系数,降低了电机铁耗。     

一种电机用非晶合金铁心的制备及其磁性能研究

将叠层非晶薄带整体切割后机械固定成形,再采用热处理的方法,将非晶合金带材制作成电机定子铁心,并与相同尺寸的层间粘接法制作的非晶合金铁心以及硅钢铁心进行磁性能对比.结果显示,机械固定法制备的非晶合金铁心具有较低的铁心损耗和较高的磁导率,并且励磁磁场强度在0～2000 A/m范围内具有较高的磁通密度.