非晶合金定子电机性能分析与设计

文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

非晶合金电机具有效率高、体积小、重量轻等特点，在电机中的应用越来越广泛。对于非晶合金定子电机，在相同的磁密作用下，铁心磁密下降缓慢，铜耗小，从而降低了电机的铁耗，提高了电机的效率。

但是非晶合金定子电机在铁心材料的选择上存在困难。为解决非晶合金定子电机中定子冲片、转子铁心、铜耗较大的问题，本文通过对非晶合金定子电机设计原理和方法进行分析研究，设计了一种新型的非晶合金定子绕组结构。

并通过有限元仿真分析验证了该定子绕组结构可以有效地降低非晶合金定子电机中的铁耗和铜耗。最后通过样机测试验证了该新型定子绕组结构设计方法的有效性。

非晶合金定子电机工作原理

定子铁心和转子材料均为非晶合金，而定子铁心和转子铁心的铁耗不同。非晶合金定子铁心的磁路为饱和磁路，当定子线圈通电后，转子将受到一个交变电磁场的作用。此时，定子线圈在交变电磁场中将产生一个沿径向方向变化的电磁力。

该电磁力将使定子铁心和转子铁心产生变形，并导致两者之间产生相对位移。由于电机中的转子铁心与定子铁心之间存在相对位移，因此在一定程度上可以降低定子铁心的磁导率。定子铁心和转子铁心之间存在较大的磁阻，因此在一定程度上降低了转子的铁耗。

虽然非晶合金定子电机在铁耗方面有一定的优势，但是非晶合金定子电机中定子冲片、转子铁心的质量较大，会增加电机成本。为解决非晶合金定子电机中定子冲片、转子铁心、铜耗较大的问题，本文设计了一种新型定子绕组结构。

该定子绕组结构通过改变定子绕组中铜线与绝缘材料之间的相对位置来降低定子绕组中的磁阻，从而减少了定子冲片、转子铁心和铜耗。

由于定子绕组结构改变了非晶合金定子电机中定子冲片、转子铁心、铜耗之间的相对位置关系，从而降低了非晶合金定子电机中的铁耗和铜耗。

非晶合金定子电机性能分析

电机铁心的厚度为20mm，冲片厚度为2.5mm，外表面与定子铁心接触部分为10mm，外表面与转子铁心接触部分为5mm。电机采用的非晶合金材料为45号硅钢片，其磁导率为1.26×10-12/T。

电机的空载电流和空载转矩基本不变，但是电机的损耗增加较多，主要原因是由于电机定子冲片、转子铁心材料的差异造成。在相同的磁密下，非晶合金定子电机的铁耗、铜耗分别比普通硅钢片电机减少了7.7%和23.2%。

将上述两种电机的损耗进行对比发现，非晶合金定子电机在相同条件下能够降低定子冲片、转子铁心、铜耗。根据铁耗、铜耗与气隙磁场之间的关系可知，当气隙磁场较小时，非晶合金定子电机气隙磁场较小；

当气隙磁场较大时，非晶合金定子电机气隙磁场较大。因此可以通过减小气隙磁场来降低非晶合金定子电机中的铁耗和铜耗。

铁耗:非晶合金定子电机在相同的磁密下，铁耗均小于普通硅钢片电机。由于铁耗与电机中磁密成正比关系，所以可以通过减小非晶合金定子电机中的磁密来降低铁耗。

通过实验可知，当电机的磁密较小时，非晶合金定子电机中的磁密与普通硅钢片电机没有明显区别；当电机的磁密增大时，非晶合金定子电机中的磁密与普通硅钢片电机之间差别明显。

由于非晶合金定子电机采用的材料为非晶态合金，具有优异的导磁性能，因此可以通过减小非晶态合金定子电机中的磁密来降低铁耗。当铁芯材料相同时，当磁密幅值较小时，非晶合金定子电机中的铁耗较低；

当磁密幅值增大时，非晶合金定子电机中的铁耗随之增大。因此，在相同条件下，降低非晶合金定子电机中的铁耗可以有效降低铁耗。

铜耗:非晶合金定子电机的铜耗与定子铁心的厚度、冲片厚度和转子的厚度有关，即电机中铜耗与定子铁心和冲片的厚度成正比，与转子的厚度成反比。

将非晶合金定子电机的损耗与普通硅钢片定子电机进行对比发现，当定子铁心厚度为20mm，冲片厚度为2.5mm，转子厚度为5mm时，非晶合金定子电机的铜耗最低。当定子铁心厚度为20mm时，非晶合金定子电机的铜耗最低。

从以上分析可以看出，非晶合金材料具有良好的导磁性能和较低的磁滞损耗，能够减少非晶合金定子电机中的损耗；在相同磁密下，非晶合金定子电机的铜耗更小。

非晶合金定子电机设计方法

非晶合金定子电机设计过程中，电机的容量和结构尺寸是确定电机主要参数的关键，在此基础上进行电磁性能的优化设计。首先根据电机的额定容量和反电势要求，选择合适的定子绕组和转子结构尺寸。

然后通过有限元计算确定电机的定子绕组和转子结构尺寸。在此基础上进行电磁性能的优化设计，具体包括确定定子槽型、调整绕组长度、磁路计算及计算槽口宽度等。

在确定电机参数后，通过有限元计算获得电机的空载感应电势、空载反电势、齿槽转矩等主要电参数，并进行电磁性能计算以满足电机设计要求。

本文所提出的定子绕组结构设计方法包括对定子槽型的选择和定子槽口宽度进行调整两个方面。当定子槽形为三角形时，定子冲片的长度应为定子槽宽的1/2;当定子槽形为直线时，定子冲片长度应为定子槽宽的1/4。并根据确定好的铁心尺寸计算出所需铁心材料的型号。

确定定子槽型:非晶合金定子电机的定子槽型与普通电机的定子槽型基本相同，但定子冲片和定子铁心的长度有所不同。在电机设计过程中，首先根据电机的额定容量和反电势要求，选择合适的非晶合金定子绕组长度，然后根据电动机的基本结构参数和工作条件对定子槽型进行调整。

在定子槽形确定后，根据电动机基本参数计算出定子铁心的尺寸，然后通过有限元软件进行空载和负载时电机电参数的计算。由于非晶合金具有良好的耐高温性能，所以在电机设计过程中考虑使用非晶合金材料。

非晶合金定子电机主要由转子和定子组成，转子结构主要包括绕组、端盖、铁心、风扇和端盖等。定子冲片采用圆形槽形，与转子保持一致，槽内填充非晶合金材料。

非晶合金定子电机优化设计方案

确定电机的主要尺寸后，选择定子绕组的匝数，选择定子绕组的匝数与电机绕组的匝数之比为2.14,然后利用AnsoftMaxwell有限元软件对非晶合金定子电机进行仿真分析，将其结果与传统非晶合金定子电机进行比较。

在仿真过程中，电机的空载电流为9.42A，气隙磁密波形为正弦波，齿槽转矩为5.98N.m，绕组漏磁系数为0.。通过仿真分析可知，在相同的运行条件下，非晶合金定子电机相比传统非晶合金定子电机的铁耗和铜耗都有所降低。

在空载损耗方面，非晶合金定子电机相比传统非晶合金定子电机减少了33.2%；在气隙磁密方面，非晶合金定子电机相比传统非晶合金定子电机减少了30.4%。

磁极结构的优化：传统非晶合金定子磁极结构的缺点是每极每槽最多可以安装三个永磁体转子，这使得电机的体积和重量较大，同时也使得气隙最小宽度变窄，从而降低了电机的效率。

为了解决这个问题，可以采用新型磁极结构，即将传统非晶合金定子磁极的三个永磁体转子改为一个永磁体转子和两个永磁体转子。与传统非晶合金定子磁极相比，新型磁极结构使得电机的气隙最小宽度减少了一半。

从而降低了电机的转矩密度，同时也减小了电机的体积和重量。由于在相同定子外径下，新型磁极结构与传统非晶合金定子电机相比，其最大转矩密度增加了近30%。同时也提高了电机的效率，降低了电机的制造成本。

定子绕组匝数的优化：在非晶合金定子电机中，电机绕组的匝数越多，则每一匝所产生的磁动势越多，绕组漏磁系数也就越小。在一定范围内，非晶合金定子绕组匝数的增加有利于降低定子转子铜耗，从而提高电机效率。

但是定子绕组匝数增加到一定程度后，定子绕组会产生涡流损耗，导致电机输出转矩降低。为了提高电机性能，需要找到一个合适的定子绕组匝数。综合考虑非晶合金定子电机的制造成本、工作性能和加工难度等因素，最终选择定子绕组匝数为2.14。

通过有限元分析可知，随着定子绕组匝数的增加，非晶合金定子电机的气隙磁场分布更加均匀，磁密更高且更加稳定；齿槽转矩也在定子绕组匝数为2.14时最小；铁耗也在定子绕组匝数为2.14时最小。

气隙磁密分析：非晶合金定子电机相比传统非

晶合金定子电机，其主要原因是由于其采用了铁心厚度相同、绕组匝数相同的定子绕组。在相同的运行条件下，铁心厚度为15mm时，其气隙磁密比传统非晶合金定子电机降低了15.3%。

由于铁心厚度相同，因此气隙磁密与传统非晶合金定子电机相比没有明显的变化。

笔者观点

本文提出了一种新型的非晶合金定子绕组结构，通过对非晶合金定子绕组结构进行优化，降低了定子冲片和转子铁心的损耗，提高了非晶合金定子电机的效率。利用有限元仿真分析验证了新型非晶合金定子绕组结构对非晶合金定子电机中定子冲片、转子铁心、铜耗的影响。

对于非晶合金定子电机来说，定子冲片、转子铁心和铜耗是主要损耗，由于非晶合金定子电机的气隙磁场一般比较小，使得定子冲片和转子铁心产生的损耗较大。根据非晶合金材料的特性，利用优化设计方法可以降低非晶合金定子电机中的铁耗，提高非晶合金定子电机的效率。

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