大型特殊应用场合的电机定子冲片缺损分析

大型特殊应用场合的电机定子冲片缺损分析

陈卫杰

天津西门子电气传动有限公司 天津市 300384

摘要：某大容量，特殊场合应用的电机，由于国内硅钢片生产能力的限制，电机铁心冲片外圆尺寸不足，缺损部分用电磁性能较好的拉筋材料填补。基于此本文在对这台大容量电机进行工程设计时，采用了有限元的分析方法，对缺边冲片及拉筋的电磁性能进行有限元分析，阐述了缺边冲片及填补空间的拉筋对铁心磁场、电机损耗及电机性能的影响，为大容量电机冲片的设计提供了有效工程尝试。实践证明，本台电机冲片缺损对电机绕组温升、电机性能的影响很小，而且不仅可以节省材料，使定转子间气隙更加均匀，磁路对称，而且避免了因气隙不均引起转子振动的可能性，具有可观的经济效益和工程指导意义。

关键词：大容量电机；缺边冲片；拉筋材料；有限元分析；涡流损耗

某些特殊应用场合的大容量电机，由于服役时间长，且服役期间不允许出现故障等因素制约，在设计过程中，定子冲片外圆直径的选取是关键也是难点。根据设计经验，增大电机容量，可从两方面加以考虑，一是加长铁芯尺寸；二是放大电枢直径。考虑在不增大转子轴挠度，保证转子机械强度等前提下，放大电枢直径是一种较优的增容方案。

受国内硅钢片生产宽度的制约，此大容量电机在保证冲片整体冲制的情况下，定子外圆会有一定的缺边，缺边冲片叠压成铁芯后用圆弧形拉筋拉紧，拉筋可以填补缺边冲片的空间。但由于拉筋材料的不同，其电磁性能及损耗不同，电机性能会受到影响。为保证电机的性能及服役期间的安全性，本文对缺边的冲片及拉筋的电磁性能进行了有限元分析，论证缺边冲片及填补空间的拉筋对铁心磁场、电机损耗及电机性能的影响，为大容量电机的设计提供依据。

1.冲片缺损数学模型

磁性材料媒质的参数 、 等随磁场强度的大小变化而变化，此种媒质为非线性媒质。在电机的各种材料特性中存在非线性磁性媒质-硅钢片。因此电机内的电磁场属于非线性电磁场。由于磁导率 的数值随磁场强度 的大小而变化，因此非线性媒质中 不但是坐标的函数，而且是时间的函数^[1,2,3]。

（1-1）

（1-2）

此式算得的磁导率通常被称为静态磁导率。材料的磁导率和真空磁导率 的比值称为该材料的相对磁导率。

当磁场随时间变化时， 和 对时间的变化率之间的关系可以写成： （1-3）

（1-4）

在电机内非线性电磁场的求解中，通过计算得到电磁位，定义向量磁位为 ;标量磁位 ，则根据麦克斯韦方程组可得电磁位 及 所满足的微分方程分别为：

（1-5）

本文在对定子冲片建立以上数学模型的基础上，利用有限元的模拟仿真，通过对比的方法分析了半圆弧拉筋对涡流损耗，定子冲片缺损对铁芯磁密分布，以及缺损对电机性能的影响等。

2.定子冲片缺损对铁芯磁密分布的影响

定子冲片缺损后会对磁场中磁力线的分布产生影响，图2-1分析了定子铁心无缺损与有缺损两种情况下其磁场磁力线的分布变化。

无缺损 有缺损

图2-1 定子冲片磁力线对比图

由磁力线分布图2-1可以看出，冲片缺损时，磁力线被压挤在缺损边缘内，轭部磁力线变得密集，磁路趋于饱和甚至可能过饱和。对导磁来说，缺损外缘处磁阻增大，磁通变小，导磁率下降，造成铁心磁路由于饱和甚至过饱和而发热严重，铁耗加大，电机效率下降。

磁密幅值（T）

1.5

1.0

0.5

0

-0.5

-1.0

-1.5

机械角度（deg）

无缺损 有缺损

图2-2 轭部中心线圆周磁密幅值

从气隙合成磁密幅值图2-2可以看出，冲片缺损对气隙磁密分布没有太大的

的影响。但对轭部磁密幅值影响很大。冲片无缺损时，轭部最大合成磁密在1.0T左右，冲片缺损时，轭部合成最大磁密在1.4T左右，增大了0.4T左右，增幅较大。对于大容量的电机，轭部磁密在1.6T以下皆属于合理取值，因此缺损情况虽然使轭部磁密变大，但没有超过硅钢片的饱和值，在设计的磁密允许范围内，没有对电机的磁性能造成大的影响。

3.半圆弧拉筋涡流电密分析

缺边冲片叠压成铁芯后用拉筋拉紧，加入拉筋后电机磁场以及拉筋涡流电密随着拉筋材料的相对磁导率和电导率不同而变化。本文计算分析了在不同运行工况下拉筋涡流电密的变化，计算时假设拉筋和定子轭部的结合处没有气隙，且和定子铁心形成一个完整的圆。

·3.1半圆弧拉筋涡流电密分析

拉筋的材料为碳钢，为非线性材料。当电机在1倍额定电流工况与1.2倍额定电流工况运行时，冲片磁场磁密分布及拉筋涡流电密分布如下。从图3-1可以看出，当定子电流增加时，冲片缺损处磁场强度明显变大。

时的运行工况的磁密最大值为1.7T，比额定运行工况增大约6%，但其还是小于1.8T的警戒值，工程设计上完全可以接受的。拉筋电密分布见图3-2，拉筋在旋转磁场的切割作用下，产生涡流，且圆周处涡流电密较中心处高。在1.2倍额定电流运行工况时，由于励磁电流强度增加，拉筋涡流电密值明显高于额定工况。但不论额定电流如何增大，其圆周涡流电密的影响都很小，不足以产生很大的涡流损耗，进而导致冲片缺损处发热严重。

额定运行工况 电流为1.2I_N工况

图3-1 不同工况磁密分布

额定运行工况 电流为1.2I_N工况

图3-2 拉筋涡流电密分布图

·3.3.额定工况不同拉筋材料对涡流电密的影响

磁导率和电导率是拉筋材料重要属性，现用四种不同材料属性的拉筋来分析缺损给电机性能和损耗带来的影响。（涡流损耗与导体的磁导率和电导率等因素有关,其中材料三和材料四为理想材料，仅作为分析规律而理想设定）。

材料一：电导率6.5×10⁶S/m,相对磁导率200

材料二：电导率6.5×10⁶S/m,相对磁导率4800

材料三：电导率0S/m,相对磁导率200

材料四：电导率0S/m,相对磁导率4800

在额定工况下的磁场、冲片轭部磁密以及拉筋涡流电密的分布情况见下图。

材料一和材料二电导率都为6.5×10⁶S/m，相对磁导率分别为200和4800，从磁力线分布图来看，没有太大的区别。而对于材料三和材料四，在电导率为0的情况下，其磁力线开始穿过拉筋区域，相对导磁率越高的材料，其磁力线穿过的根数越多。

对于材料一和材料二的电密而言，电导率大，电阻率相对较小，涡流损耗相对较大。从对比图可以看出，相对磁导率高的材料，其涡流电密变化更显著一些。材料三和材料四电导率为0，冲片在高频下，损耗主要以涡流损耗为主，涡流损耗又主要与电阻率有关，电导率为0的冲片电阻率大，这样就可以显著地减小涡流损耗。

对于图3-3,材料一和材料二，C点为冲片轭部与拉筋接触点，从图可以观察到，A-C点轭部，磁密值大多在1.4-1.6T之间变化。在C点缺损处，磁密迅速降低。C-B点部分是拉筋区域，涡流效应阻碍磁力线穿透，使得磁力线很少穿过，磁密接近为0。

对于图3-3的材料三，在冲片的轭部区域，磁密值在1.4-1.6T 之间变化，而材料四，A-C点冲片轭部的磁密值有了显著的变化，磁密值变小，降低至1-1.4T之间。相对于材料一和材料二在C-B点拉筋区域磁密为0，材料三在C-B点拉筋区域磁密增大为0.05T左右，材料四增大幅值更大，接近0.7T，显然电导率为0，相对导磁率高的材料导磁性好，涡流损耗小，更适合作为拉筋材料。

图3-3 定子冲片轭部磁密值

通过上述分析，认为虽然电导率为0的冲片是理想化的模型，在工程实践中并不存在，但我们通过这个计算结果可以得出冲片电导率，相对磁导率，电阻率对涡流损耗的影响，进而在工程设计中去有意选择一些电导率，相对磁导率等参数更适合应用于电机中的材料，去降低损耗，提高效率。

4.定子冲片缺损对电机性能的影响

冲片缺损对电机效率、功率因数、空载电流和温升等有影响，但如果它们是在一定范围内波动，而且波动的幅度不大，电机的性能没有受到太大的影响，其误差在可接受的范围内，说明缺损还是可以接受的。表4-1为缺损冲片与不缺损冲片对电机性能影响的对比表。

表4-1 理想空载电流、功率因数和拉筋涡流损耗对比表

从表4-1中可以看出，冲片缺损与未缺损，理想空载电流最大变化0.317A，增大了0.1%，功率因素变化0.026%，拉筋损耗与总铁芯损耗相比，是可以忽略的。

小结

本文对电机增容设计中的冲片缺损进行了有限元分析，得到如下结论：冲片缺损，空载电流变化0.317A，功率因数变化0.026%，拉筋损耗增加不到2W，与总涡流损耗相比可以忽略，因此此台增容电机可以认为定子冲片缺损对电机绕组温升、电机性能的影响是很小的，而且整圆冲制硅钢片节省了材料，提高了材料的利用率，避免了定子扇形硅钢片之间的接缝，使定转子间气隙更加均匀，磁路更加对称，避免了因气隙不均引起转子振动的可能性，具有可观的经济效益和现实指导意义。但是对于冲片的缺损，如果我们在核算时，发现轭部由于切边而使得磁密增加到1.8T甚至以上时，从安全角度考虑，就需要慎重并且采取其它手段了。

参考文献

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