高频电机损耗怎么破？软磁材料性能因子帮您来预判

随着现代工业技术的快速发展，高速永磁同步电机因其高转速、大功率密度以及较小的体积等显著优势，在高速飞轮储能、氢燃料电池和高速磨床等领域得到了广泛应用。然而，在高速电机中，定子铁心损耗占总损耗的比例较大，且在高频运行时，定子软磁材料的选择对电机效率的提升起着关键作用。因此，如何在不同工作频率下选择最优的定子软磁材料，成为电机设计中的一个重要问题。

山东理工大学仇道琳、赵博教授团队联合山东山博电机集团有限公司共同研究，旨在通过引入材料性能因子作为选材准则，对比无取向硅钢材料、极薄硅钢材料和新型非晶合金带材的性能，并通过数值计算和实验验证，探讨不同材料在高速电机设计中的适用性。这一研究不仅具有重要的理论意义，也为实际工程应用提供了重要的参考依据。

一、软磁材料磁性能对比与性能因子分析

软磁材料磁化特性与损耗特性对比分析

研究人员选取了三种软磁材料：无取向硅钢材料（B20AT1500）、极薄硅钢材料（10JNEX900）和新型非晶合金带材（AYFA-Z）。通过对比它们的磁化曲线和损耗特性，发现硅钢材料的磁化曲线受频率影响显著，而非晶合金的磁化曲线几乎不受频率影响。在损耗方面，非晶合金在高频下的损耗远小于硅钢材料，且随着磁密的增加，其损耗低的优势更加明显。例如，在1kHz下，非晶合金的损耗分别比10JNEX900和B20AT1500低28%和54%。非晶合金用作高频高速电机的定子材料能显著降低电机的铁心损耗。但非晶合金材料饱和磁密较低，不适用于长时间过载运行的高频高速电机。

图1 磁导率随频率的变化（H=100A/m）；图2 非晶合金与硅钢铁损随频率的变化（B=1T） 

非晶合金与硅钢性能因子对比分析 

为了更好地比较不同材料在不同频率下的性能，研究人员引入了性能因子的概念。性能因子定义为在一定损耗限制下，定子材料的磁通密度与电机工作频率的乘积。通过性能因子，可以快速判断在给定频率下哪种材料性能最优，或者确定某种材料在哪个频率范围内具有优势。通过对比分析了非晶合金与硅钢材料的性能因子发现，不同材料的性能因子随频率变化呈现出明显的差异。例如，在损耗限制为3W/kg时，B20AT1500硅钢在频率低于80Hz时性能因子最高，适用于低频段；10JNEX900极薄硅钢在80-150Hz之间性能因子最优，表现出较好的综合性能；而AYFA-Z非晶合金在工作频率大于150Hz时，性能因子优势显著，尤其适合高频应用。随着损耗限制的提高（如5W/kg），非晶合金的性能因子优势在更高频率（200Hz）时更加突出。总体而言，非晶合金凭借其在高频下的低损耗特性，在高频应用中具有显著优势，而硅钢材料则凭借其高饱和磁密，在低频段表现出色。这一分析为电机设计中根据工作频率选择合适的定子材料提供了重要依据。

图3 ３种材料性能因子三维图（ａ）及其俯视图（ｂ）

二、高速永磁同步电动机空载性能对比

电机主要参数与空载运行特点

研究对象为一台15kW的超高速永磁同步电机，其额定工作频率为2000Hz。通过有限元仿真，对比了三种材料电机的空载性能。结果表明，电机的气隙磁密随工作频率的增大而略有降低。在不同频率下，三种材料电机的气隙磁密和空载反电势表现出明显差异。其中，使用10JNEX900极薄硅钢材料的电机气隙磁密为0.642T，定子为B20AT1500材料的电机气隙磁密为0.637T，使用AYFA-Z材料的电机空载气隙磁密为0.647T。分别由AYFA-Z非晶合金材料、10JNEX900极薄硅钢材料和B20AT1500硅钢材料作为定子材料的电机空载相反电势有效值为147.15、146.02、145.10V。

图4 空载仿真结果

空载性能对比

在一定工作频率下，材料的性能因子越大，电机的气隙磁密越大，从而影响电机的空载反电势。通过仿真结果可以看出，在不同频率下，三种材料电机的空载反电势与材料的性能因子成正比。例如，在2000Hz的工作频率下，使用AYFA-Z非晶合金材料的电机空载反电势最高，这表明在高频下，非晶合金材料能够提供更好的空载性能。

表1 不同频率下空载反电势对比

三、负载性能对比

材料对电机负载性能的影响

在负载运行时，电机的电磁转矩和电磁功率与材料的性能因子密切相关。通过分析不同材料电机的电磁转矩和电磁功率，发现高性能因子的材料能够在相同的工作频率下获得更高的电磁转矩和电磁功率。例如，在额定负载下，AYFA-Z非晶合金材料的电机电磁功率比其他两种材料的电机高154.2 W和179.3 W，这表明非晶合金材料在高频负载运行时具有显著优势。

表2 不同频率下的电磁功率对比

材料对电机损耗的影响

在额定负载下，三种材料电机的铁耗随着工作频率的增加而迅速增加。非晶合金材料的电机铁耗最低，而B20AT1500硅钢材料的电机铁耗最高。在不同负载率下，AYFA-Z材料的电机效率最高，分别为B20AT1500和10JNEX900材料的电机效率高0.85%和0.1%。这说明在高频运行时，选择非晶合金材料能够有效降低电机损耗，提高电机效率。

图5 ３种材料的铁耗分布云图;图6 效率随负载率的变化

四、实验验证

为了进一步验证材料性能因子的可行性，研究人员搭建了一个高速电机实验平台，对使用AYFA-Z非晶合金材料的电机样机进行了测试。实验结果表明，在不同转速下，电机的空载反电势与仿真结果基本一致，这进一步验证了材料性能因子在电机设计中的有效性。

五、结论

研究人员通过对比三种软磁材料的性能因子，分析了它们在不同频率下的适用性，并通过数值计算和实验验证，得出了以下结论：

1.性能因子能够快速判断在给定频率下哪种材料性能最优，或者确定某种材料在哪个频率范围内具有优势。

2.材料的性能因子直接影响电机的气隙磁密和空载反电势，从而影响电机的空载性能。

3.高性能因子的材料能够在相同的工作频率下获得更高的电磁转矩和电磁功率，且在高频运行时，非晶合金材料表现出显著优势。

4.在高频运行时，选择非晶合金材料能够有效降低电机损耗，提高电机效率。

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