定子鐵芯的案例
非晶合金永磁電機的電磁振動噪聲計算與分析
本研究在 ＡＮＳＹＳ Ｍａｘｗｅｌｌ 軟件中建立電機的二維電磁場有限元模型，采用 Ｍｅｔｇｌａｓ２６０５ＳＡ１ 帶材作為定子鐵芯材料，轉子鐵芯材料仍為冷軋硅鋼片 ＤＷ３１０＿３５。
電機的主要結構參數和性能指標如表 ２ 所示。
表 ２ 電機的主要結構參數和性能指標
實際上電機定子結構并非完全自由，本文采用 ４個螺栓固定電機定子部分，電機周圍空間為空氣。劃分網格，設置轉子部分的最大單元長度為０. ５ ｍｍ，定子軛部最大單元長度為 ４ ｍｍ，定子齒部最大單元長度為 ０. ２５ ｍｍ， 氣 隙 部 分 的 最 大 曲 面 分 割 長 度 為０. ００１ ｍｍ。永磁體與轉子部分為剛性連接。本文仿真采用疊壓鐵芯，非晶合金材料在制成定子鐵芯之后的性能參數與非晶帶材并不完全一致。在機械場的分析過程中，為了更加符合實際，需綜合考慮非晶電機定子鐵芯的加工過程，及疊片效應對非晶定子鐵芯性能的影響，對非晶定子鐵芯的力學參數進行修正。
修正后非晶定子鐵芯和硅鋼定子鐵芯的力學參數如表 ３ 所示。
展開 新能源汽車用電機模態有限元分析
電機運行過程中，作用于定子的徑向電磁力波頻率與定子結構固有頻率接近時會引起共振，進而產生電磁噪聲。為抑制電磁噪聲，就要做到“避頻”和“避型”即需將同一階次的徑向電磁力頻率和定子結構固有頻率錯開。因此，為準確預測和抑制整機電磁噪聲，需要準確計算分析定子固有頻率及其模態特性。
本文基于Hypermesh有限元軟件建立新能源汽車用永磁同步電機模型進行模態分析，其參數指標如表1：
表1 電機參數表
2 模態分析有限元模型建立
2.1 定子鐵芯等效
為減小渦流損耗，提高電機效率，定子鐵芯通常不采用實體結構，而是由多個帶有絕緣涂層的薄硅鋼片沿軸向疊壓而成。由于鐵芯疊層結構并不是一個材料連續的彈性體，因此不能簡單地將定子鐵芯作為各向同性材料。
為便于計算求解，本文采用實體等效定子鐵芯疊層結構進行建模：實體模型平面特征與單個硅鋼片一致，長度與鐵芯軸向長度相同。等效后的材料視為橫觀各向同性材料即疊片平面內（x-y平面）視為各向同性材料，與疊片平面正交的軸向（z方向）剛度不同。等效后實體密度為鐵芯實際重量與模型體積的比值。定子材料參數有限元等效過程：在兩個相鄰硅鋼片疊片平面取單位面積的幾何作為分析對象，將疊壓過程縮短的長度平均分配到每個硅鋼片作為強制位移載荷，并把壓縮變形后狀態作為材料參數計算的初始狀態。分別在X、Y、Z單一方向上施加單位載荷，另外兩個方向施加對稱邊界條件，求解材料變形。由材料力學計算公式求解彈性模量F為x方向加載力，A為載荷作用面積，Lx為分析對象在x方向長度，Δx為x方向變形量，εx和εy為x方向和y方向的應變；根據橫觀各向同性材料彈性模量E、泊松比PR及剪切模量G之間的關系：Ex=Ey=Ep，PRzx=PRzy=PRnp，PRxz=PRyz=PRpn，Gxz=Gyz=Gn，材料參數求解。
展開 新能源汽車「心臟」-電機的有限元分析（文末有資料）
電機運行過程中，作用于定子的徑向電磁力波頻率與定子結構固有頻率接近時會引起共振，進而產生電磁噪聲。為抑制電磁噪聲，就要做到“避頻”和“避型”即需將同一階次的徑向電磁力頻率和定子結構固有頻率錯開。因此，為準確預測和抑制整機電磁噪聲，需要準確計算分析定子固有頻率及其模態特性。其參數指標如表1：
表1 電機參數表
1 模態分析有限元模型建立
1.1 定子鐵芯等效
為減小渦流損耗，提高電機效率，定子鐵芯通常不采用實體結構，而是由多個帶有絕緣涂層的薄硅鋼片沿軸向疊壓而成。由于鐵芯疊層結構并不是一個材料連續的彈性體，因此不能簡單地將定子鐵芯作為各向同性材料。
為便于計算求解，本文采用實體等效定子鐵芯疊層結構進行建模：實體模型平面特征與單個硅鋼片一致，長度與鐵芯軸向長度相同。等效后的材料視為橫觀各向同性材料即疊片平面內（x-y平面）視為各向同性材料，與疊片平面正交的軸向（z方向）剛度不同。等效后實體密度為鐵芯實際重量與模型體積的比值。定子材料參數有限元等效過程：在兩個相鄰硅鋼片疊片平面取單位面積的幾何作為分析對象，將疊壓過程縮短的長度平均分配到每個硅鋼片作為強制位移載荷，并把壓縮變形后狀態作為材料參數計算的初始狀態。分別在X、Y、Z單一方向上施加單位載荷，另外兩個方向施加對稱邊界條件，求解材料變形。
展開 Maxwell繪圖 UPD快速建模方法
除了手動繪制模型外，Ansys Maxwell軟件內置了非常多的 User Defined Primitive （UDP）模型庫，包含過各種常用的電機鐵芯/線圈/變壓器鐵芯/直線電機等模型，如下圖所示：
可直接調用并將其中的幾何尺寸設置為變量，快速實現參數化2D/3D建模。
除此之外，ANSYS Maxwell 的UDP功能是一個開放框架，支持用戶自己編寫UDP模型腳本并掛載到軟件中使用，支持C和Python，對于建立復雜幾何模型來說十分高效。
下面以一臺電機定子鐵芯模型的建立為例介紹UPD建模功能
1.快捷UPD中加載定子鐵芯。
在菜單欄中依次點擊【Draw】→【User Defined Primitive】→【RMxprt】，找到【SlotCore】如下：
此時跳出鐵芯參數對話框，如下：
①【DiaGap】和【DiaYoke】分別代表鐵芯氣隙處和軛部的直徑。當DiaGap值＞DiaYoke值時，槽在鐵芯外圓上；當DiaGap值＜DiaYoke值時，槽在鐵芯內圓上。
②【Lengh】：2D仿真時為0，3D仿真時為鐵芯軸長。
③【SlotType】槽類型主要有6種，其中現狀和尺寸參數在下圖：
④【InfoCroe】可以設置UDP生成的類型，0為帶槽鐵芯，1為不帶槽鐵芯，100為以外徑為鐵芯所在區域。
設定完后，點擊【OK】，即可生成定子鐵芯
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新能源汽車用電機模態有限元分析
電機運行過程中，作用于定子的徑向電磁力波頻率與定子結構固有頻率接近時會引起共振，進而產生電磁噪聲。為抑制電磁噪聲，就要做到“避頻”和“避型”即需將同一階次的徑向電磁力頻率和定子結構固有頻率錯開。因此，為準確預測和抑制整機電磁噪聲，需要準確計算分析定子固有頻率及其模態特性。
本文基于Hypermesh有限元軟件建立新能源汽車用永磁同步電機模型進行模態分析，其參數指標如表1：
表1 電機參數表
2 模態分析有限元模型建立
2.1 定子鐵芯等效
為減小渦流損耗，提高電機效率，定子鐵芯通常不采用實體結構，而是由多個帶有絕緣涂層的薄硅鋼片沿軸向疊壓而成。由于鐵芯疊層結構并不是一個材料連續的彈性體，因此不能簡單地將定子鐵芯作為各向同性材料。
為便于計算求解，本文采用實體等效定子鐵芯疊層結構進行建模：實體模型平面特征與單個硅鋼片一致，長度與鐵芯軸向長度相同。
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電機運行過程中，作用于定子的徑向電磁力波頻率與定子結構固有頻率接近時會引起共振，進而產生電磁噪聲。為抑制電磁噪聲，就要做到“避頻”和“避型”即需將同一階次的徑向電磁力頻率和定子結構固有頻率錯開。因此，為準確預測和抑制整機電磁噪聲，需要準確計算分析定子固有頻率及其模態特性。
本文基于Hypermesh有限元軟件建立新能源汽車用永磁同步電機模型進行模態分析，其參數指標如表1：
表1 電機參數表
2 模態分析有限元模型建立
2.1 定子鐵芯等效
為減小渦流損耗，提高電機效率，定子鐵芯通常不采用實體結構，而是由多個帶有絕緣涂層的薄硅鋼片沿軸向疊壓而成。由于鐵芯疊層結構并不是一個材料連續的彈性體，因此不能簡單地將定子鐵芯作為各向同性材料。
為便于計算求解，本文采用實體等效定子鐵芯疊層結構進行建模：實體模型平面特征與單個硅鋼片一致，長度與鐵芯軸向長度相同。等效后的材料視為橫觀各向同性材料即疊片平面內（x-y平面）視為各向同性材料，與疊片平面正交的軸向（z方向）剛度不同。等效后實體密度為鐵芯實際重量與模型體積的比值。
展開 各向異性材料本構基本理論
04 硅鋼片層疊結構（電機定子鐵芯）的本構模型
電機定子鐵芯屬于各向異性材料，但又是一種特殊的各向異性材料。設定子的層疊方向標記為1，其它兩個方向標記為2和3，則九個材料參數如下：
所以對于定子鐵芯，獨立的材料參數為6個。
電機殼體冷卻結構設計及熱仿真分析
額定工況下熱仿真分析
在額定工況點26.7kW@10000RPM@26N.m下，對永磁同步電機裸銅線、定子鐵芯、轉子鐵芯和機殼四個關鍵結構件的溫度場進行分析，其結果如圖3所示。分析發現，電機裸銅線、定子鐵芯、轉子鐵芯和機殼四個關鍵結構部分中，電機裸銅線溫度最高，其最高溫度為138.2℃，所處位置為電機繞組端部。這是由于冷卻介質只覆蓋到鐵芯端部，鐵芯兩端的繞組線包超出冷卻液覆蓋范圍，其散熱方式主要以輻射和對流散熱為主，散熱效果較差，所以繞組線包部位溫度明顯高于其它部件，這一仿真結果與實際測量結果也是相吻合的。
展開 多源激勵下電機-減速器一體化系統NVH的研究
電磁激勵通過永磁同步電機定子鐵芯傳遞，并引起殼體的振動與噪聲；機械激勵主要通過傳動系統中軸承與殼體的連接傳遞。
2.1 永磁同步電機電磁力分析
永磁同步電機是通過定子繞組電流產生的氣隙旋轉磁場與轉子永磁磁場相互作用，產生轉矩。氣隙磁場中，同時也產生作用于定子鐵芯內部的電磁力波，通過傳遞引起整個鐵芯與殼體的結構振動，并向外輻射電磁噪聲。筆者采用8級48槽永磁同步電機，采用雙“一”字形永磁體結構的電磁方案。
永磁同步電機在正弦波供電條件下，忽略定子鐵芯磁阻和磁路飽和的影響，電機中氣隙磁密的解析式為：
B(θ,t)=f(θ,t)·Λ(θ,t)
(1)
式中:f(θ,t)—氣隙磁通密度；f(θ,t)—總氣隙磁動勢；Λ(θ,t)—氣隙磁導。
正弦波三相平衡供電作用下，三相永磁同步電機磁動勢的時間空間分布可分為轉子側與定子側，分別如下：
(2)
(3)
式中：f1(θ,t)—轉子側磁動勢空間分布；f2(θ,t)—定子側磁動勢空間分布；fυ,fμ—諧波峰值；ν—轉子空間諧波次數；μ—定子的空間諧波次數；ω—輸入電流脈動，ω=2πf；p—電機極對數；φ—定轉子諧波矢量之間諧波夾角。
根據式(1～3)，可以得出正弦激勵下電機氣隙磁密為：
B(θ,t)=[f1(θ,t)+f2(θ,t)]·Λ(θ,t)
(4)
由式(4)可以看出：在各種磁場共同作用下，氣隙磁密有較為復雜的諧波成分。空間極對數較低的徑向電磁力對電磁振動起主要作用；同時，空間諧波次數較低的徑向電磁力主要由永磁體u次徑向諧波磁場與電樞反應υ次徑向諧波磁場相互作用產生。
對氣隙磁通密度分解，可得到徑向氣隙磁通量密度、切向氣隙磁通量密度。
展開 新能源車用驅動電機定子繞組技術
2 驅動電機定子繞組技術的發展
電機繞組的發展史，就是研究如何將更多的銅導體更方便地嵌入到定子鐵芯槽內的過程，從而實現更高的槽滿率（槽滿率是表征驅動電機繞組技術的關鍵指標，本文中定義為裸導體截面積除以鐵芯槽截面積）。從驅動電機定子繞組技術的發展歷程看，可以將其劃分為第一代徑向嵌裝繞組技術與第二代軸向嵌裝繞組技術。
第一代繞組技術：徑向嵌裝繞組
徑向嵌裝繞組是指將銅導體繞制成型后，沿定子鐵芯齒部的極靴口將繞組從徑向方向裝配進鐵芯槽內（如圖3，圖4所示為聯合電子開發的圓線/扁線徑向嵌裝繞組）。
從1888年開始，工業電機上應用的主流繞組技術均為徑向嵌裝繞組，初期繞組技術以分布式圓線徑向嵌裝繞組為主，1942年又逐漸衍生出集中式圓線徑向嵌裝繞組，隨后到1995年發展出集中式扁線繞組以及分布式波繞扁線繞組。
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2 驅動電機定子繞組技術的發展
電機繞組的發展史，就是研究如何將更多的銅導體更方便地嵌入到定子鐵芯槽內的過程，從而實現更高的槽滿率（槽滿率是表征驅動電機繞組技術的關鍵指標，本文中定義為裸導體截面積除以鐵芯槽截面積）。從驅動電機定子繞組技術的發展歷程看，可以將其劃分為第一代徑向嵌裝繞組技術與第二代軸向嵌裝繞組技術。
【NVH】電機的振動噪聲
電機定子振動特性
電機的電磁噪聲除了與氣隙磁場產生的電磁力波頻率、階數和幅值有關之外，還與電機的結構固有模態有關。電磁噪聲主要由電機定子及殼體的振動產生。因此，提前通過理論公式或仿真預估定子的固有頻率，并將電磁力頻率和定子固有頻率錯開，是減小電磁噪聲的有效手段。
當電機徑向力波頻率與定子的某階固有頻率相等或相近時，就會引起共振。此時，即使徑向力波的幅值不大，也會導致定子較大的振動，進而產生較大的電磁噪聲。對電機噪聲而言，最重要的是研究以徑向振動為主、軸向階數為零，空間振型六階以下的固有模態，如圖所示。
定子振動形式
在分析電機振動特性時，由于阻尼對電機定子的模態振型和頻率影響有限，可不予考慮。結構阻尼是通過應用高能量耗散機理去降低共振頻率附近的振動級，如圖所示，只在共振頻率或接近共振頻率時需考慮。
阻尼的影響
定子添加繞組后，鐵芯槽內的繞組表面經過清漆處理，絕緣紙、清漆和銅線互相附著，而且槽內的絕緣紙與鐵芯的齒也緊貼在一起。因此，槽內繞組對于鐵芯具有一定的剛度貢獻，不能單純地作為附加質量處理。
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2 驅動電機定子繞組技術的發展
電機繞組的發展史，就是研究如何將更多的銅導體更方便地嵌入到定子鐵芯槽內的過程，從而實現更高的槽滿率（槽滿率是表征驅動電機繞組技術的關鍵指標，本文中定義為裸導體截面積除以鐵芯槽截面積）。從驅動電機定子繞組技術的發展歷程看，可以將其劃分為第一代徑向嵌裝繞組技術與第二代軸向嵌裝繞組技術。
永磁電機的振動噪聲
電機定子振動特性
(1) 電機的結構固有模態
電機的電磁噪聲除了與氣隙磁場產生的電磁力波頻率、階數和幅值有關之外，還與電機的結構固有模態有關。電磁噪聲主要由電機定子及殼體的振動產生。因此，提前通過理論公式或仿真預估定子的固有頻率，并將電磁力頻率和定子固有頻率錯開，是減小電磁噪聲的有效手段。
當電機徑向力波頻率與定子的某階固有頻率相等或相近時，就會引起共振。此時，即使徑向力波的幅值不大，也會導致定子較大的振動，進而產生較大的電磁噪聲。對電機噪聲而言，最重要的是研究以徑向振動為主、軸向階數為零，空間振型六階以下的固有模態，如圖所示。
定子振動形式
在分析電機振動特性時，由于阻尼對電機定子的模態振型和頻率影響有限，可不予考慮。結構阻尼是通過應用高能量耗散機理去降低共振頻率附近的振動級，如圖所示，只在共振頻率或接近共振頻率時需考慮。
阻尼的影響
定子添加繞組后，鐵芯槽內的繞組表面經過清漆處理，絕緣紙、清漆和銅線互相附著，而且槽內的絕緣紙與鐵芯的齒也緊貼在一起。因此，槽內繞組對于鐵芯具有一定的剛度貢獻，不能單純地作為附加質量處理。在采用有限元法進行分析時，有必要根據齒槽內繞組的材料求出表征各類機械性能的參數。工藝實施時應盡量保證浸漆的質量和提高線圈繞線的張力、提高繞組與鐵芯配合的緊密程度，增大電機結構的剛度，提高固有頻率從而避免共振，減小振動幅值，降低電磁噪聲。
(2) 電機的結構固有頻率
定子壓入殼體后的固有頻率與單定子鐵芯有一定的差異，殼體能明顯提高定子結構的固頻，尤其是低階固頻，但殼體本身會產生一些局部模態，使共振的轉速工作點增多，增大了電機設計時避免共振的難度。
展開 WMEM | 探尋新能源汽車驅動電機的制造與應用
由此，高成本的定子總成生產不可繼續沿用傳統制造方案，而是采用發卡技術、數字技術和信息技術等手段，提高定子產線的柔性度、集成度與高效率，進而減少空間占用、縮短交付周期及降低生產成本。
圖2 新能源汽車永磁同步電機的定子總成示意
1-齒極 2-機殼 3-線圈 4-鐵芯
（1）定子總成的工藝路線
定子總成的通常工藝路線，如圖3所示。該路線未涉及機殼內孔的機械加工及定子鐵芯的沖壓疊鉚整形和焊接處理。
圖3 定子總成的通常工藝路線
（2）定子總成的制造
分析定子總成的通常工藝路線可知，永磁電機的定子需經組件制作及后續套入機殼內孔兩大階段，方可成為一套合格的完整總成器件；所用裝備涉及工控性質的清理機、嵌線機、理線機、綁扎機等，也有激光技術的裁剪機、焊接機，還有伺服軸定位的插紙機、加熱機、整形機和套裝機，更有易燃易爆的浸漆、烘干設備，如圖4所示。
圖4 定子總成制造所用裝備示意
作業設備多，投資數額大，工序流轉長，占地面積廣，產品切換慢，機殼薄壁減材加工，這些是定子總成制造路線的顯著特點。在瞬息萬變的個性化市場時代，電機制造商應采用機器人裝卸料替代大量人工吊裝，采用AGV小車或懸掛鏈輸送定子件，采用數字化裝備提高換型柔度，采用互聯網進行零件信息、產線狀態、在線實控、訂單分發等數據采集分析，采用液/氣壓自定心快換多工位夾具（見圖5）進行減材件的快速夾松，采用云平臺進行元器件供貨商的最優協同派單，以此實現定子制造的降本控制，短期內快速換型完成小批量電機的制造，表面粗糙度和圓度分別不超過Ra1.6μm與8μm。
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