不同温度及谐波下，变频电机有着怎样的电磁特性和振动特性？沈工大学者给出新思路

为研究变频电机在不同温度、不同谐波下的电磁性能及考虑硅钢片磁致伸缩影响的振动特性，沈阳工业大学电气工程学院的研究人员陈德志、张玉庸、白保东、宋蒋雄，在2020年第22期《电工技术学报》上撰文，对变频电机铁心硅钢片在不同温度及谐波下的磁性能展开研究，为变频电机的电磁—振动分析提供了新的思路。 

近年来，交流变频调速系统以其卓越的调速性能、显著的节电效果以及在世界经济各个领域的广泛适用性，在逐步取代直流调速系统的同时，成为最有前景的调速方式之一，但其自身的稳定性问题却不可忽视。在对电机的设计与分析过程中需要考虑多种因素，如电磁设计过程中定子铁心硅钢片的磁化特性、振动及噪声分析过程中定子铁心硅钢片的磁致伸缩特性等。

但直到目前为止，以电磁装备制造为主的高校、科研院所以及各大企业在对电磁装置进行设计与研究过程中，对硅钢片特性参数的应用主要集中在采用室温下的磁感应强度曲线及损耗曲线，通常不考虑实际工作温度对电机的影响；同时，在分析电机的振动及噪声时，大都没有考虑硅钢片磁致伸缩对其的影响，这些作用累加起来，将有可能放大电机设计、性能计算与分析时的误差。

目前，国内外学者对电磁装置用硅钢片展开了广泛的研究。有学者对取向硅钢片在不同温度、谐波条件下的磁性能展开过测试分析；有学者对取向硅钢片在不同直流偏磁下的磁致伸缩特性展开过研究；有学者对无取向硅钢片磁致伸缩对应力的敏感性进行了研究；有学者对PWM供电下的无取向硅钢片的磁致伸缩及振动特性展开过研究；有学者在理论上研究了取向硅钢片的特性，建立了定量描述磁致伸缩和磁感应强度以及应力之间关系的数学模型，并且得到了磁致伸缩的变化趋势。

还有学者研究了含硅量分别为3.25%～6%取向硅钢的磁特性以及磁致伸缩特性，认为提高硅钢片的含硅量可使其磁导率提高到磁化曲线的拐点位置，同时降低样片的损耗，其磁致伸缩特性也得到了很大的改善，提高含硅量可以很大程度上抑制磁致伸缩引起的振动。

有学者研究了冷轧硅钢片直流各向异性磁致伸缩特性，通常认为轧制方向和横向上磁致伸缩特性的差异最大，但研究表明55°方向和轧制方向之间的磁致伸缩特性差异最大，矫顽力也表现出相同的趋势，并指出磁致伸缩的各向异性是由样片本身的晶粒结构以及纹理度决定的；有学者搭建了旋转单片测试系统，并对取向硅钢的磁致伸缩特性进行了研究，结果表明样片的损耗和磁致伸缩都随着磁感应强度或者磁化方向和轧制方向间的夹角增大而增大，当磁感应强度按椭圆形、菱形变化时，磁致伸缩表现出相似的特性。

有学者对变压器铁心硅钢片的磁致伸缩在不同退火温度、机械应力等条件下的变化趋势进行了实验研究。具体如下：为了考察退火温度对磁致伸缩应变的影响，实验分别对加工后的取向硅钢片采用不同的退火工艺进行处理，并对取向硅钢片进行了直流磁化，得到磁致伸缩应变与磁感应强度的关系，随着退火温度的增加，磁致伸缩应变逐渐由正值变为负值，且磁致伸缩曲线的单调性发生变化。

针对电机的分析方法主要有经验法、解析法及有限元法，现阶段普遍采用有限元法对电机的电磁—机械等特性展开分析。

有学者应用二维有限元法对一台高速永磁同步电动机的磁场展开过研究；有学者采用多物理场有限元法对永磁同步电动机的损耗、温度及应力展开过研究；有学者分析了永磁同步电动机电磁力波特征参数和各个阶力波的谐波来源，建立了多物理场永磁同步电动机振动及噪声分析模型，但没有考虑磁致伸缩对永磁同步电动机振动及噪声的影响；也有学者在不考虑逆变器谐波的情况下研究了0阶力波对永磁同步电动机振动的影响；还有学者分析了硅钢片磁致伸缩对电机振动及噪声的影响，但没有综合考虑温度、谐波对电机磁性能及振动特性的影响。

基于此，沈阳工业大学电气工程学院的研究人员首先对无取向硅钢片在不同温度、谐波、磁致伸缩下的特性展开测试与分析，给出了B-H、B-P及磁致伸缩等数据；其次，以不同温度、谐波、磁致伸缩下的特性数据为基础，基于COMSOL有限元分析软件，对一台1140V/75kW变频电机的电磁特性、振动特性展开仿真分析，并在仿真过程中考虑温度、谐波及磁致伸缩对变频电机铁心硅钢片性能的影响；最后，对其进行振动实验研究，验证了所提方案的正确性。

图1 变频电机实验系统测试平台

研究人员通过对1140V/75kW变频电机的电磁特性及振动特性展开的分析与研究，得出如下结论：

图2 变频电机实验系统测点位置

图3 变频电机实验测试仪器

1）测量了不同温度下无取向硅钢片的磁性能，测试结果表明：在磁感应强度1.4T下，20℃时磁场强度为270A/m，80℃时磁场强度为300A/m，300℃时磁场强度为500A/m；20℃时相对磁导率为2000，80℃时磁导率为1800，300℃时相对磁导率为1500；在磁感应强度1.5T下，20℃时单位铁损为2.7W/kg，80℃时单位铁损为2.5W/kg，300℃时单位铁损为2.2W/kg。这说明温度对无取向硅钢片的磁性能有一定的影响，在分析与设计电磁装置的过程中，应该考虑温度的影响。

2）测量了不同谐波下的无取向硅钢片的磁性能，测试结果表明：随着频率的升高，磁感应强度的拐点向右偏移。

3）利用不同温度及谐波下的无取向硅钢片的磁性能数据，对变频电机进行了电磁特性仿真，利用20℃时测得的硅钢片磁特性曲线与120℃时测得的硅钢片磁特性曲线变频电机的磁感应强度相差0.001T。利用50Hz时测得的硅钢片磁特性曲线与250Hz测得的硅钢片磁特性曲线变频电机的磁感应强度相差0.0321T。

4）利用测量得到的无取向硅钢片单值磁致伸缩曲线，对变频电机进行了振动仿真，考虑磁致伸缩影响下变频电机的振动位移要比未考虑磁致伸缩影响的振动位移大，其中a点大0.3µm，b点大0.4µm。

5）搭建了1140V/75kW变频电机在变频供电下的振动实验平台，并进行了振动实验研究。实验结果表明，振动位移的仿真及实验在一个数量级内，其理论分析可以指导电机的分析与设计。

以上研究成果发表在2020年第22期《电工技术学报》，论文标题为“不同温度及谐波下硅钢片电磁—力特性与变频电机振动”，作者为陈德志、张玉庸、白保东、宋蒋雄。