非晶态金属电机资料Word文档下载推荐.docx
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对所有旋转的电力设备而言，磁场的变化是一个不可避免的事实。
这些损失都是涡流和材料中固有的磁滞损耗所导致的。
这些损耗是不可避免的，而且它也是所有机器中多余的热量。
这些热量损耗同时限制了机器设备的输出功率。
与电力设备中传统的铁（即硅钢片）比较，相同运行频率情况下，非晶态金属的铁损只有前者铁损的10%左右。
非晶态金属
传统硅钢片
非晶合金的矫顽力是冷轧取向硅钢片的1/7左右，非晶合金的磁滞回线所包络的面积远小于冷轧取向硅钢片，因此非晶合金的磁滞损耗比冷轧硅钢片小很多。
定子加工工艺-电机的可制造性
LE公司已经研发并对电力设备中使用非晶态金属的定子的制造加工方法获得并发布了专利。
附属的制造加工信息都属于LE公司专有的知识产权。
而且，LE公司采用了轴向气隙结构AFIR-S（轴向磁场内转子开槽定子）作为最低成本模式来生产电机（插图一）。
电机绕组采用1/2分数槽结构，定子每个齿上安放一个线圈。
轴向气隙结构使得电机易于实现高频化，而且使线圈的端部最小，减少了有效材料并降低了电阻引起的损耗。
虽然公开可用的信息是非常有限的，但是，LE公司还是通过利用常规的工业设备和制造工具掌握的各种加工制造的方法。
这些加工制造并不需要庞大和复杂的加工设备。
通过常规的加工测量方法，LE就能保证对成品的质量控制。
因此，加工成本近似于加工传统的同样大小重量的传统电机的加工成本。
与许多传统的设计不同，LE公司的电力设备是不被设备所固有的同步频率所限制的。
因此，LE公司的同步频率可以被认为是“自由”可变的。
众所周知，高同步频率的设备将会产生更高的功率密度，其原因包括：
较小截面的磁路和旁轭结构，较短的轴长，较细的转子长度。
整个电力设备可以被设计得更小、更紧密。
LE公司对非晶态金属的运用从根本上减少了铁损，使LE公司设计的电机比传统设计的同样大小尺寸的电机的效率更高。
采用的轴向气隙结构使电机绕组的无效部分减少，因此电机的铜损也减少，这也使LE的电机具有更高的效率。
功率密度的提高，使有效材料的消耗大大降低，在价格差距不大的情况下，相同功率（或转矩）的电机的成本比传统电机更低。
LE设计了无刷的轴向磁场永磁电机，其磁路材料全部由非晶态金属构成。
提高了效率，提高了功率密度，降低了成本。
功率密度大约是传统永磁电机的3倍，也就是说与同容量普通永磁同步电机比较LE电机的重量或体积大约小2/3。
LE公司已经在被测试的马达和发电机中证明了其技术的效果。
被测试的马达和发电机的转速在200到4000转/每分钟，功率从2到150千瓦。
LE公司现在有发电机和电动机两大系列产品。
由于具有明显的体积和重量优势，LE的电机特别适合对体积和重量有严格要求的场合，如车辆、航空器等。
LE公司拥有16项美国专利，每一个专利都具有世界专利，还有若干个专利正在发布中。
所有的专利都直接涉及到非晶态金属电机的生产以及应用。
LE开发的电机产品属于永磁电机范畴。
与常规永磁电机比较，LE产品在体积和重量上具有非常明显的优势。
1．LE发电机与领先的电励磁发电机、领先的永磁发电机主要参数对比
2．LE发电机与国内常规永磁发电机参数对比
对比表1
LE发电机产品
国内某品牌永磁发电机产品
比较项目
规格/型号：
G24N2
6KW2极
额定转速,转/分
2500
3500
额定输出功率,千瓦
7
6
冷却方式
全封闭自冷
风冷
重量,千克
19.05
36
外形尺寸
直径27.6厘米
长度（厚度）14厘米
体积约8.4升
直径21.5厘米
长度32厘米
体积约11.6升
功率密度,千瓦/千克
0.37
0.17
满载效率
95%
93.5%
对比表2
G32N2
12KW2极
4000
24
12
39.9
46
直径40.6厘米
长度（厚度）15厘米
体积约19.4升
直径24厘米
长度34厘米
体积约15.4升
0.60
0.26
3．LE电动机与国内常规永磁电动机参数对比
LE电动机产品
国内某品牌
永磁直流无刷电机产品
M32L2
50KW
2750
50
额定输出扭矩,牛米
200
136
堵转扭矩,牛米
250
---
峰值扭矩,牛米
320
300
水冷
48
160
直径29.9厘米
体积约10.6升
直径36厘米
长度60厘米
体积约61升
1.04
0.31
扭矩密度,牛米/千克
4.17
0.85
94.9%
系统满载效率
（电机+驱动控制器）
89%
高转矩密度电机/高频电机的应用设计和测试
（译自美国LE公司发表在国际学术会议上的论文）
概要Abstract
高同步频率电机的设计会导致高转矩密度和高功率密度电机的出现。
这一点适用于所有应用如热平衡和电力电子选择。
采用高同步频率经仔细设计的风冷电机可以得到大于30牛米/升的转矩密度。
对360~1080赫兹的电机进行了讨论，并与常规风冷电机在40度环境温度下的运行情况进行了对比。
所有的设计均接近预想的极限结果。
特别关注了与运动相关的转子发热情况的有限元研究。
初略的结果是，同步频率增大到3倍得到的功率密度大约增大到2倍。
最终制造并测试了频率高于1000赫兹的电机，验证了性能。
本文验证了采用高频化可以达到高转矩密度电机的目的。
绪论Introduction
全球范围内，电力需求持续以每年约1.5%的百分比增长。
在美国，工业需要电力的大约80%是由电动机消耗的。
电机在军事、航空航天、工业设备中持续提供着较大的弹性。
因此，在相同转速和功率条件下获得更小、更廉价且效率更高的电机就显得非常重要。
满足这些要求的电机广泛地认为具有较高的转矩密度。
在相同转速时，高转矩密度和高功率密度具有相同的意义。
在本文中这两个说法会交替出现。
大家熟知的一个减小电机尺寸的办法就是提高相同转速时的同步频率。
在航空工业中使用400赫兹频率来减小电动机和发电机的体积。
之所以选择400赫兹，目的是要达到较高的转矩密度，并与确保电机不会因为发热（硅钢材料在高频时损耗增加）而导致损坏达成一个平衡。
400赫兹是功率密度和热管理之间一个较合理的平衡点。
不过，比硅钢具有更低损耗的材料如铁基非晶态金属可以使电机的频率更高从而获得更高的转矩密度。
铁基非晶态金属的商业应用时间已经超过20年。
把非晶态金属应用到电动机和发电机上的尝试有过很多的失败经历。
这里有三个方面的原因：
部分地是由于非晶态金属难于加工成电机的部件；
二是受电机驱动器最高频率的制约；
三是高频电机的设计方法不能充分发挥出非晶态金属在提高功率密度方面的潜在优势。
电机描述MotorDescription
研究的电机是采用通常的Y接法三相电机。
所用的研究电机采用的结构是所谓的AFIR-S轴向磁场内转子开槽定子结构，如图1所示。
选择这种结构的部分原因是能够利用现有的加工技术把非晶态金属带材加工成电机定子。
这也是本文的目的—用一种经济可行的方式实现高功率密度电机。
第二个也是更重要的好处是，AFIR-S结构设计更适合于高频运行。
为了保证较低的电阻损耗从而保证较高的效率，必须要使定子绕组的端部最小。
定子绕组的端部是绕组的以部分，但是并不能产生转矩。
虽然部产生转矩但却产生电阻损耗，引起多余的发热。
采用3槽每2极每3相（或者1/2每极每相槽数SPP）可以使得线圈的端部最小。
这可以使每个定子齿上套一个线圈，从而使端部最小。
电机设计要求空载时输出的感应电动势为近似正弦波（near-sine）。
近似正弦波意味着感应电动势波形总谐波失真度（THD）小于5%。
这个要求可以使得采用高频电机控制器时得到更好的性能。
采用1/2每极每相槽数可以容易满足上述要求。
研究电机采用了标准材料，如表1。
虽然对所选用材料作轻微改动是有可能使得一个设计比另一个好一些，但是所能预期得到的好处是很有限的，所以我们把这些材料固定下来不作改变。
这些材料都是容易买到的。
取代非晶态金属的软磁材料的任何其它选择都不是经济的。
设计约束条件DesignConstraints
为了研究的目的，希望在宽广的同步频率范围内对高频电机设计进行对比。
假定所有设计都具有从零到3600转/分的变速功能，并且由正弦波电机驱动控制器控制。
3600转/分作为电机额定转速。
为了对高频设计效果进行直接对比，需要一组电机约束条件。
本次研究所需设计的电机具有严格的转速和尺寸要求，见表2。
表中所提的直径尺寸在图3中有直观的表示。
尽管有效材料外经OD与内经ID值比部分地是由应用要求决定的，就设计而言把这个比值设定在接近0.5是重要的。
有人强烈建议选择合适的极弧系数。
极弧系数接近0.8时，高极数电机的槽宽较小，较小的槽宽使得绕组的段部较小。
这样对高极数电机来说，在固定OD和ID情况下可以有较大的磁芯气隙面积。
这点在本文作者的工作中得到了证实。
研究中所进行的每项设计都要求使得输出参数符合在一个较小的范围内，见表3.另外还发现，重要参数的任何失误很容易得到错误的结论。
在表3中，显然功率（1项）和转矩（2项）是我们设计的目标。
在3600转/分达到96%的效率也是适当的，尤其对永磁同步电机而言是正确的。
满足功率因数的要求很紧要。
在本文涉及的例子中，功率因数表述的是施加到电机的外部驱动电压与电机产生的电动势之比。
计算和实验数据都证实了在额定转矩时的功率因数可以达到0.89。
不认为功率因数是不变的也可以得到具有比竞争对手更小体积、更轻重量的电机设计，但是那样可能需要容量更大、更昂贵的驱动控制器。
因此必须避免犯这样的错误。
满足一定数值的散热条件的要求跟满足功率因数要求的情况类似。
没有给定明确的散热要求也可能设计出小巧高效的电机，但是不借助外部冷却条件要保证电机的冷却效果是很困难的。
这种冷却方式叫做全封闭不通风（TENV）结构，只依靠外部送风机冷却。
冷却空气不允许进入到电机内部的气隙中。
一般认为，不管电机的冷却方式如何，电机内部产生的热量必须经过热源的表面传递出去，也就是经过电机的有效材料的表面传递出去。
因此，散热系数应该定为单位有效材料表面的损耗。
先进的冷却方式对不同设计的效果是一样的，因此不影响设计对比的结果。
这个假定适用于相同拓扑结构、相同直径和相同轴向长度的设计。
对所进行的研究所有条件保持不变，每个设计的散热系数保持一样。
性能指标没有预先设定。
认为体积转矩密度或质量转矩密度都是最合适的。
另外一种争论的观点可能采用单位成本的转矩指标，长远看这个是有意义的，但是短期来说这个很难精确，因为有些情况下的实际费用不知道，不经过全面的研究也很难准确计算出成本。
因此，我们只对表1中的有效材料进行分析，其它成本相对比较固定的材料不予以考虑。
设计变量
表4列出了设计涉及的自由变量。
磁轭的轴向长度设计成使额定运行时的磁通密度为1特斯拉。
磁轭厚度与齿的面积的关系是清楚的。
1特斯拉对非晶金属是合适的数据，这避免了磁路饱和且是磁轭的厚度保持一致。
在给定1/2每极每相槽数条件下，同步频率（表4中第1项）的变化导致转子极数的变化，进而导致定子槽数的变化。
注意了极弧系数的情况。
定子槽宽度（第2项）的改变，给设计者以调整铜线圈体积与定子齿体积之比的自由。
轴向长度（第3-6项）变量允许设计者选择适当的长度以优化设计效果。
目标是尽量使这些参数最小化。
问题是：
在固定转速条件下，提高同步频率对转矩密度到底带来什么样的好处呢？
解决办法
功率与转矩
表5表述了后面公式用到的变量。
给出任何一套电机几何数据，就可以计算出电机的参数：
相电阻，公式1；
相电感，公式2；
相感应电动势，公式3.
对一组输入数据，在使用电机驱动控制器时需要假设一个估计的电机输出功率。
使用的方法用来基于dq向量图计算电流、电压、感应电动势，见公式4和公式5.任何情况下我们都假设电流严格维持在q轴上，这可使电机在给定电流情况下输出最大转矩。
相电阻：
相电感：
相感应电动势：
相电压：
输出功率：
电流的波形也假定是纯正弦波，这与我们的研究目标近似正弦波感应电动势相符。
图4是一个典型的近似正弦波感应电动势的例子。
散热表面积
表4中规定的散热系数被限制在很小的范围内。
这就要求非常准确的发热量估算。
散热面积
由线圈、磁芯及磁轭构成的圆桶计算得到，见公式6.这种逼近计算，在不直接预报冷却条件下，确实使我们可以对不同设计进行有效的对比。
较大的设计有利于散热，较小的设计需要使损耗限制在较小的范围以保证有效的散热。
在反复试算过程中，如果发现某个设计具有良好的散热性（较小的体积），则对此设计进行进一步优化以获得更小的尺寸（更小的轴向长度），这样得到良好的散热性以及获得更好的转矩密度的电机。
功率因数
功率因数是电机输出功率与驱动输入的KVA之比。
这样功率因数可由矢量图获得，即相感应电动势与施加的相电压之比，见公式7。
效率
效率是最难估算的参数之一。
但又是设计要求的强制参数。
表6是研究中考虑到的所有损耗的列表。
根据表6：
第1项：
直流电阻损耗，不考虑高频带来的集肤效应。
假定线圈温度为150度。
第2项：
交流电阻损耗，由高频带来的集肤效应引起的附加电阻损耗。
实验表明，1000赫兹一下的集肤效应不明显，几乎可以忽略不计。
第3项：
磁芯损耗，可以容易地得到，公式8.
还可以用3D有限元法计算损耗，两者的误差在20%内。
第4项：
转子损耗，主要是转子上的导体元件产生的涡流损耗。
导电的磁钢和安装磁钢的支架都可能发生涡流损耗。
图5是一个转子的示意图。
转子涡流是由于磁钢及磁钢支撑件在通过定子齿槽时引起的磁通密度的微小变化而引起的。
定子线圈电流也会引起转子涡流。
必须注意到涡流发生的频率不是同步频率而是同步频率的3倍，因为涡流的发生是由于定子齿槽导磁系数的变化引起的。
转子产生的热量比其它发热源更不容易传递出去，这是因为转子发热的90%是通过气隙空气流动传到的，只有10%是经过轴传到或直接辐射到定子的。
由于现在的电机是全封闭结构，所以转子发热必须经过定子、线圈及外壳传递出去。
因此转子损耗必须严格限制。
这种损耗可以通过多种办法来减少。
所有降低转子损耗的办法都会成本的增加和电机复杂程度的提高。
最普通的办法是把定子齿的末端包住，其次是压平磁石使其成为像一个整体一样。
还有一个办法是给转子增加导电性的防护罩，使涡流发生的位置改变到更具有耐受力的部分上去。
也可以考虑非导电性的磁体（如陶瓷磁体），但这样会大大降低转矩密度。
所有上述办法均未采用，采用的唯一方法是增加定子与转子之间的气隙。
这些损耗难以直接计算，因此采用了三维有限元方法计算。
这种办法虽然费时，但可以预报转子的发热以及因这些发热导致的磁体退磁现象。
本文计算了额定电流和额定转速时的转子涡流发热。
第5，6项：
轴承和风阻损耗
计算了四个不同频率的损耗
360赫兹，6对极；
540赫兹，8对极；
720赫兹，12对极；
1080赫兹，18对极
反复设计结果
基于集合约束条件，选择不同的槽宽以获得最大单位体积转矩和最大单位质量转矩。
反复优化设计得到的结果表明，同步频率的提高使得转矩密度提高。
随着频率的提高（定子槽数也提高）不幸的但是何以预见的结果也随之而来，见表9.
铜线在槽中的槽满率随着频率的提高逐渐下降。
这是因为槽数提高后每槽的截面下降，但必要的绝缘材料必不可少，为了达到一定的耐压等级，绝缘材料的使用是一定的。
极对数
转矩密度（N-m/升）
电磁频率（赫兹）
18.6
360
8
22.2
480
26.7
720
18
36.9
1080
测试
结论
设计研究表明：
先进材料的使用和同步频率的提高对提高电机的转矩密度的好处。
较小的高频电机并不比较大的低频电机需要更大的冷却要求。
LE电机产品技术数据
（来自美国莱特技术有限公司公开发布的资料）
LE电机型号表达方式：
GxxF1-xxx
表示采用定子个数设计序列号：
一般与不同绕组设计对应
G：
发电机，M：
电动机
xx：
电机系列号，表示电机外径的大致数据，24,32,40,60，单位厘米
F:
强制风冷，N：
自然冷却，L：
液体冷却（水冷）
发电机系列：
G24F1:
24系列单定子风冷发电机性能数据
G24F2:
24系列双定子风冷发电机性能数据
G24L1:
24系列单定子液冷发电机性能数据
G32L1:
32系列单定子液冷发电机性能数据
G32L2：
32系列双定子液冷发电机性能数据
G32N2:
32系列双定子自冷发电机性能数据
电动机
M32L2：
32系列双定子水冷电动机性能数据（驱动控制器输入电压330V条件下）
堵转扭矩：
250Nm额定扭矩：
200Nm峰值扭矩：
340Nm质量：
48公斤
M24L2:
24系列双定子水冷电动机性能数据（驱动控制器输入电压330V条件下）
额定功率：
30KW峰值功率：
34KW堵转扭矩：
95Nm额定扭矩：
85Nm
峰值扭矩：
120Nm质量：
22公斤
M40L2:
40系列双定子水冷电动机性能数据（驱动控制器输入电压330V条件下）
95KW
峰值功率：
140KW
额定转矩：
300Nm堵转扭矩：
350Nm峰值扭矩：
615Nm
额定转速：
3300转/分最高转速：
3800转/分
质量：
81公斤
升级会员 