铁损的对策
EV技研
公众号EV技研作者19002019/07/03 电动汽车 IP:北京

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铁损的对策:对铁心材料的考察

在铁损占主导地位的特性范围内使用,对付铁损的对策是……

要想让电机的能量利用效率达到90%以上,电机的工作点(电机使用频率最高的负荷范围)必须与最大效率范围一致,这一点十分重要。也就是我们刚才提到的,应该将电机的工作点设定在靠近无负荷状态的区域。前文提到,在这个区域内的电机损耗中,铁损占据主导地位(图1)。

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                                           图1


也就是说,提高电机的效率应该从降低铁损着手。这在电机设计中是很重要的一个内容。话虽如此,没有一种魔法可以使电机达到这样的要求,关键还是依据电机的基本原理和特性,进行电机设计,而且只有这一种方法。回忆一下,铁损是什么?铁损分为磁滞损耗和涡流损耗。应该优先考虑对它们采取对策。

 磁滞损耗对策

使用低磁滞损耗的材料,要想降低磁滞损耗,形成磁路的铁心(电磁钢板)应该采用损耗更小的材料。现在,根据电机的不同用途,已经开发出了许多具有低磁滞损耗的材料。当然,其价格也很高。我们应该根据性价比来选用已经量产的低磁滞损耗铁心。

涡流损耗对策

(1)铁心(电磁钢板)层叠而成的原因下面我们来看应对涡流的对策。

我们都知道构成铁心的电磁钢板是层叠而成的。拆解模型用电机就会发现,它的铁心也是层叠而成的。这是因为,在层叠方向上电阻变大,不容易产生涡流。电磁钢板越薄,可以层叠的数量就越多。电磁钢板层叠(厚度)方向上的电阻剧增,从而降低涡流。

硅钢板(含有大量硅元素的电磁钢板)的表面涂敷着绝缘材料,这使得层叠的两个硅钢板之间存在的电阻变为无限大,进而使涡流降低。笔者在比赛用电机中使用的是“超级HF 铁心”(JFE 钢铁,厚度t =0.2mm,见表1)。

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                             表1

这种铁心的硅钢板基材部分的硅含量为3.5 %,表面硅含量为6.5%。这样的铁心材料使其磁通饱和度呈指数级增加,铁损呈指数级减少。

(2)每张电磁钢板越薄越好?

如果考虑电机的磁性能,电磁钢板的厚度当然是越薄越好。而实际设计中,电磁钢板表面涂敷的绝缘层也是有厚度的,因此很难达到最薄状态。假设叠层铁心的厚度为20mm。通过计算,我们可以使用100 张厚度t =0.2mm 的电磁钢板或200张厚度t =0.1mm 的电磁钢板来制作。当然, 后者看起来更好。但是,因为每张电磁钢板的表面都涂敷了一定厚度的绝缘层。实际上,构成同样厚度为20mm 的铁心时,前者的叠层数量反而更多。从减少铁损的角度来看,使用后者(更薄的材料)更有利,但实际上铁心中的铁含量降低了。结果就是,前者构成的铁心反而具备更大的磁通量。同时,如果通过提高磁力,使通过后者构成的铁心的磁通密度增加,当然也可以获得与前者构成的铁心相同的磁通量,但这样又会导致铁心的铁损变大。笔者也尝试过用不同厚度的硅钢板制作电机。使用厚度t =0.2mm 的硅钢板可以让磁通密度和铁损达到最佳的平衡状态。当然,0.1mm 的硅钢板也是低损的。但是,基于上述理由,为了更好地发挥电机性能,需要增加叠层厚度,这样电机就变大、变重了。


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