基于非晶金属定子铁心的高速永磁同步电机铁损修正计算方法研究

本文为一项发表于 IEEE Transactions on Energy Conversion 期刊2021年3月第36卷第1期的原创性研究论文，标题为“Modified Core Loss Calculation for High-Speed PMSMs with Amorphous Metal Stator Cores”。研究的主要作者包括 Wenming Tong, Shiqi Li, Ruolan Sun, Lu Sun 以及 Renyuan Tang，他们均来自中国沈阳工业大学的国家稀土永磁电机工程技术研究中心。

研究背景与目的 本研究属于电气工程领域，具体聚焦于高速永磁同步电机（High-Speed Permanent Magnet Synchronous Machines, HS PMSMs）的设计与优化。随着对节能减排和绿色低碳经济的日益重视，具有高效率、高功率密度等优点的高速PMSM在航空航天、机床、储能飞轮等领域获得了广泛应用。然而，高频磁场引起的定子铁心损耗（铁损）会严重影响电机效率。非晶金属（Amorphous Metal, AM）作为一种新型低损耗软磁材料，以其替代传统硅钢片可显著降低铁损。但在高速电机设计初期，工程师通常仅能依赖制造商提供的非晶金属带材（AM Ribbon）的损耗数据进行铁损计算，这与实际制成的非晶金属铁心（AM Core）的损耗性能存在显著差异。这种差异源于非晶材料在铁心制造过程中（如切割、叠压、退火、固化、开槽等）所引入的机械应力，导致其磁性能恶化。因此，如何在电机设计的初期和高级阶段，仅凭制造商提供的带材数据，实现对非晶铁心损耗的准确计算，成为一个亟待解决的关键问题。本研究的核心目的正是提出一种修正因子，以修正基于非晶带材数据的铁损计算模型，使其能更精确地预测实际非晶铁心在高速PMSM中的损耗，为工业界此类电机的设计和分析提供可靠参考。

研究详细流程 本研究包含几个紧密衔接的阶段：材料性能测试与对比分析、修正因子建立、电机性能仿真分析以及实验验证。

第一阶段：非晶带材与非晶铁心的磁性与损耗性能表征。 研究对象为制造前后的同批非晶材料，具体为待测的非晶带材样本（尺寸145 mm x 265 mm）以及由相同带材经过完整制造工艺流程制成的非晶定子铁心模块。研究采用德国Brockhaus MPG 200D交流/直流软磁材料性能测量平台（一种标准测试设备），依据IEC 60404-2标准进行测量。该平台通过初级绕组施加可变频率正弦信号产生交变磁场，利用公式H(t) = N1 * i(t) / Lm计算磁场强度，并通过测量次级绕组的感应电压积分得到磁通密度B(t)。样品的总损耗通过测量初级线圈的输入功率并扣除铜损获得（公式(3)），最后除以样品质量得到比损耗（单位：W/kg）。这一阶段旨在获取“原材料”和“成品”在相同激励条件下的基础性能数据。

第二阶段：非晶带材与铁心特性对比及修正因子推导。 首先，对比分析两者的磁化曲线（B-H曲线）和损耗性能。实验结果表明：1）非晶带材的磁化曲线在不同频率下基本一致，其饱和磁密约1.57 T，接近制造商提供的1.56 T；而制成铁心后，饱和磁密降至约1.40 T。2）在磁性能方面，当磁密低于1 T时，铁心的相对磁导率显著低于带材；磁密高于1.2 T时，两者磁导率接近。这表明加工应力主要影响低磁密区的磁化特性。3）在损耗性能方面，加工导致铁心损耗急剧增加。以1 T/800 Hz为例，铁心的比损耗为29.17 W/kg，而带材仅为2.54 W/kg，铁心损耗是带材的约11.47倍。 随后，研究者采用Bertotti损耗分离模型（P = khyst * B^βhyst * f + keddy * B² * f² + kexcess * B^1.5 * f^1.5）对图5（带材）和图6（铁心）的测量损耗曲线进行拟合，得到了两组材料在常用频率（200-1000 Hz）和磁密（0.5-1.4 T）范围内的损耗系数（khyst, βhyst, keddy, kexcess）。对比发现，非晶铁心的各项损耗系数均远高于非晶带材。其中，过剩损耗系数kexcess比涡流损耗系数keddy小两个数量级以上，因此在本研究中被忽略。 最后，基于拟合得到的损耗系数，研究者定义了核心的损耗修正因子（Modification Factor, MF） ，其计算公式为：MF = P_core / P_ribbon，即用铁心的损耗系数除以带材的对应损耗系数。通过计算，研究者得到了针对铁损计算模型中关键参数khyst和keddy的修正因子（见表V）。结果表明，khyst的修正因子略高于keddy；且当磁通密度大于0.6 T时，修正因子数值更大。

第三阶段：基于修正因子的高速PMSM空载损耗计算与分析。 为验证所提修正因子的有效性，研究选取了一台采用AM 2605SA1非晶金属定子铁心和35W-270硅钢片转子铁心的HS PMSM样机作为分析对象。首先，通过2D有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）计算电机内部的磁场分布和磁密波形。特别地，为模拟真实驱动情况，研究中采用了变频器供电下的实测空载电流波形（载波频率12 kHz，畸变率12.96%）作为有限元分析的输入。利用此模型，分别采用未修正的（基于带材数据） 和修正后的（基于修正因子调整后） 铁损模型计算了电机的定子铁心损耗。计算结果（表VII及图13）清晰地显示，修正后的定子铁损值远高于未修正的计算值。同时，分析也指出随着转速升高，定子铁心中的涡流损耗比例始终高于磁滞损耗，且两者增长速率大致相同。此外，研究还使用3D时步有限元法计算了转子铁心损耗和永磁体涡流损耗（公式(7)），并利用经验公式计算了机械损耗（包括空气摩擦损耗和轴承损耗，公式(8)-(14)）。综合各部分损耗，得到了电机的总空载损耗预测值。

第四阶段：实验验证。 为验证理论计算的准确性，研究搭建了高速PMSM样机的空载和负载实验平台。首先，通过对比15000 rpm转速下的实测反电势波形与有限元仿真波形（图18），验证了磁场计算的准确性。结果表明，无论是使用带材还是铁心的B-H曲线进行仿真，得到的反电势结果均与实测高度一致，这支持了使用带材B-H曲线进行电机磁路设计的可行性。 最关键的空载铁损验证通过空载实验进行。实验中，通过测量电机的输入功率，并减去空载铜损、机械损耗（空气摩擦与轴承损耗），得到实验测得的铁损（包括定子铁损、转子铁损和永磁体损耗）。将这一实测值与基于未修正和修正后铁损模型的计算值进行对比（图19）。结果显示，基于修正后模型的计算结果与实验数据吻合度非常高，而基于未修正模型的计算结果则严重偏低。这直接证明了所提修正因子对于准确预测非晶铁心在实际电机中的损耗是有效的。进一步的，图20展示了不同转速下（5000, 7000, 20000 rpm）修正后总空载损耗（不含铜损）计算值与实验值的对比，其误差分别为10.04%、5.89%和3.42%，在额定转速（20000 rpm）下误差仅为3.42%，充分证明了所提修正计算方法的有效性和准确性。

主要结论与研究价值 本研究通过系统的实验测试与理论分析，得出以下主要结论： 1. 非晶金属带材在制成铁心后，其磁性能（尤其在低磁密区）和损耗性能均发生显著恶化，这是由制造过程中的机械应力导致的。 2. 非晶铁心的磁滞损耗系数khyst和涡流损耗系数keddy均远高于原始带材。当磁密大于0.6 T时，khyst的增长更为明显。在损耗构成上，制造过程导致涡流损耗和磁滞损耗均大幅增加，且涡流损耗的增长率略高于磁滞损耗。 3. 基于上述差异，本研究提出了一种针对非晶铁心损耗计算的修正因子MF。该因子可以将基于制造商提供的非晶带材数据计算出的损耗系数，直接修正为适用于实际加工后非晶铁心的损耗系数。 4. 通过一台高速非晶PMSM样机的仿真与实验验证，证实了采用该修正因子后的铁损计算模型能够高精度地预测电机在实际运行中的空载铁损（额定转速下误差约3.42%）。

本研究的科学价值在于首次系统量化了非晶金属材料从带材到成型铁心在制造过程中的性能劣化程度，并建立了一种易于工程应用的、基于实验数据的半经验修正方法，填补了在高速非晶电机设计初期缺乏精确铁损计算工具的空白。其应用价值则直接体现在工业设计层面：工程师在电机设计阶段，即使仅有供应商提供的非晶带材数据，也可通过应用本研究提供的修正因子，获得对最终非晶铁心损耗更接近真实情况的预测，从而优化电机电磁与热设计，提升设计效率和产品性能可靠性。论文明确指出，该修正因子可推广应用于采用类似本文所述工艺流程制造的非晶铁心高速PMSM。

研究亮点 本研究的亮点主要体现在以下几个方面： 1. 问题导向明确且具有高工程价值：针对高速非晶电机设计中的一个关键瓶颈——初始设计阶段铁损预测不准的问题展开研究，成果可直接指导工程实践。 2. 研究方法系统严谨：遵循“材料测试-性能对比-模型修正-样机仿真-实验验证”的完整逻辑链条，论证严密。实验部分严格遵循国际标准，保证了基础数据的可靠性。 3. 提出了可量化的修正因子：创造性地提出了“损耗修正因子（MF）”这一概念，将复杂的性能劣化问题转化为可应用于经典损耗模型的修正系数，方法直观且便于集成到现有的电机设计软件中。 4. 全流程验证充分：不仅进行了材料级的对比测试，还通过完整的电机样机仿真与实验，在不同工况（不同转速）下验证了修正方法的有效性，结论令人信服。 5. 揭示了明确的性能变化规律：研究不仅给出了修正因子，还详细揭示了非晶材料加工后磁导率下降、损耗系数（尤其是khyst和keddy）变化的具体趋势，深化了对非晶材料工艺-性能关系的理解。