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摘 要 : 采用热处理后浸漆、固化、切割的方法将非晶态合金带材制作成电机定子铁心 ,研究了尺寸相同的非晶合金定子铁心与硅钢定子铁心的磁性能 。 结果表明，在频率为1kH z、磁通密度为1. 0 T时非晶定子铁心的损耗为 42W/kg,在相同测试条件下 ,硅钢定子铁心的损耗为102 W/kg,非晶定子铁心在 1 kHz、1. 0 T时的损耗比相同尺寸的硅钢定子铁心的损耗降低了58. 8%。
引 言
高速电机的主要特点有两个 :一是转子的转速高达每分钟数万转甚至十几万转 ;二是定子绕组电流和铁心中磁通的频率高 ,一般在 1 kHz以上 [ 1 ] 。高速电机大量应用于高速机床、计算机和其它微电子器件中用于数据存储的磁盘和光盘驱动器的主轴电动机中 。
目前 ,定子铁心所用材料主要为传统的硅钢片材料 [ 2 ] 。 由于定子铁心中磁通的变化频率与电机的转速成正比 ,而单位损耗耗与频率的 1. 3～1. 5次方成比例 ,一台 60 000 r/m in的电机定子铁心磁场变化频率是 3 000 r/m in电机定子铁心频率的 20倍 ,如铁心中的磁通密度相同 ,高速电机的单位铁耗将增加 50～80倍 [ 1 ] 。 与普通电机相比 ,铁心损耗占高速电机总损耗的比例较大 [ 3 ] 。 为降低铁心的高频损耗 ,通常采用降低铁心中的磁通密度或采用低损耗的铁心材料的方法 。
非晶态合金与硅钢片相比 ,它具有优异的磁性能 ,其磁导率高于硅钢片 ,而损耗不到硅钢片的一半 [ 4 - 5 ] 。 本文利用非晶合金薄带制作高速电机定子铁心 ,并研究了非晶合金定子铁心的损耗特性。
实验方法
名义成份为 Fe80 Si 9B11的铁基非晶合金带材采用平面流铸带方法制备 ,带材厚度为 30 ± 1μm,宽为 50 mm ,表面光洁 。 首先将 50 mm 宽的非晶合金薄带剪成 110 mm 长的段 ,再将这片状非晶带叠成宽 50 mm、长 110 mm和高 66 mm的非晶棒 ,然后再将非晶棒在罩式炉中热处理 ,热处理工艺为 380 ℃保温 90 m in。 将热处理后的非晶棒放入环氧树脂与丙酮重量百分比为 1∶5的浸漆液中浸漆 1 h后在180℃保温 2 h固化 ,最后将非晶棒切割成外径为45. 5 mm、内径为 22. 2 mm和长度为 66 mm的 18槽定子铁心。硅钢定子铁心所用硅钢片牌为DR 255,厚度为 0. 35 mm。
采用湖南联众的 MATS - 2010SD 软磁直流测量装置测量铁心的直流磁性能 ,采用日本岩崎的 W I AT2SU SY8232 B - H分析仪测量铁心的交流损耗 。
图 1 非晶定子铁心照片
2 结果与讨论
采用非晶合金带材制备的定子铁心如图1所示 。由图可见 ,非晶定子铁心外观整齐、表面光滑。非晶定子铁心的重量为434g，叠片系数为0.90。
如图 2所示 ,在对非晶定子铁心进行磁性能测量时，为计算方便起见 ,计算磁路时 ,假定磁通完全局限于r 1和r 2之间 ,忽略了其它部分的磁通 。
表 1 直流磁性能比较
注 :硅钢定子铁心所用硅钢片牌号为 DR255,厚度为 0. 35 mm。
表 1 列出了非晶定子铁心的直流磁性能 ,为对比方便 ,表1中同时给出硅钢定子铁心的磁性能。由表可知 ,与硅钢定子铁心相比 ,非晶定子铁心在磁场强度为2500 A /m时的磁感应强度 B 值略低于硅钢定子铁心的B值 ,而Br、Hc、μ i、μ m 等性能明显优于硅钢定子铁心。但是由于非晶定子铁心在2500A /m下的B值低于硅钢定子铁心的 B 值 ,在设计电机时 ,如果定子铁心的磁通密度设计值高于1. 3T,应增加定子铁心的尺寸。
图 3和图 4分别给出了硅钢片定子铁心和非晶定子铁心的损耗随频率变化的曲线 。 由图 3可见 ,硅钢定子铁心的损耗随着频率的升高而大幅度地增加。在频率为50Hz、磁通密度为1. 0T下 ,硅钢定子铁心的损耗较小 ,仅为1. 4W/kg 。而随着频率的升高 ,定子铁心的损耗也大幅度升高。当频率升高到1kHz、磁通密度为1. 0 T时 ,硅钢定子铁心的损耗增加到102W /kg。 由图4可见 ,非晶定子铁心与硅钢定子铁心相比在相同频率和磁通密度下的损耗均不到硅钢定子铁心的一半。在频率为50Hz、磁通密度为 1. 0 T下 ,非晶定子铁心的损耗为 0. 4 W /kg,比硅钢定子铁心降低了71. 4% ; 在频率为1kHz,磁通密度为1. 0T下 ,非晶定子铁心的损耗为42 W /kg,比硅钢定子铁心降低了58. 8%。由此可见 ,若将非晶定子铁心替代硅钢定子铁心应用于高速电机中 ,可显著降低定子铁心损耗。
结 语
本文研究了尺寸相同的非晶定子铁心和与硅钢定子铁心的磁性能。 结果表明 ,非晶定子铁心的饱和磁感应强度低于硅钢定子铁心 ,在设计电机时 ,如果定子铁心的磁通密度设计值高于 1. 3 T,应增加非晶定子铁心的尺寸。 非晶定子铁心的损耗低于相同尺寸的硅钢定子铁心 ,将非晶定子铁心应用于高速电机中可以显著降低定子铁心的损耗。
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