定子鐵心的案例
定子鐵心混合疊壓再制造電機的齒槽轉矩分析
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正文部分
電機鐵心是電機內的關鍵部件，其性能的改善對電機整體性能的提升具有重要意義。永磁電機本身性能較為優異，同時與一般的電機設計相比，再制造電機還受到原有鐵心結構的限制，因此其性能難以提升。傳統電機鐵心材料一般選用冷軋硅鋼片，而非晶合金材料與硅鋼片相比，其加工過程更加環保，且具有更低的鐵心損耗，應用于電機鐵心可以使電機鐵耗顯著降低，從而提高效率。
1 電機參數及混合疊壓方法
1.1 定子材料
原電機所用的硅鋼材料牌號為B35AV1900，所用非晶合金材料牌號為Metglas2605SA1。圖1為由湖南聯眾MATS-2010S軟磁測量裝置測得的硅鋼材料和非晶合金試樣的磁化曲線。對比兩者磁化曲線可知，硅鋼材料的飽和磁通密度（簡稱“磁密”）約為1.80 T，非晶合金的飽和磁通密度約為1.44 T，在相同磁場強度情況下，非晶合金對應的磁通密度小于硅鋼材料的磁通密度。
圖1 硅鋼和非晶合金的磁化曲線
Fig.1 Magnetization curves of silicon steel and amorphous alloy
1.2 電機參數
以一臺8極48槽內置式永磁同步電機為例進行定子混合疊壓再制造。電機的參數見表1。
表1 電機主要參數
Tab.1 Main parameters of motor
1.3 混合疊壓方法
受到原鐵心材料和結構的限制，再制造的電機鐵心性能較差。利用性能優異的非晶材料替換原鐵心，可以顯著降低鐵心的損耗，但非晶材料飽和磁密較小，且成本較高。通過合理選擇材料比例，將非晶材料與硅鋼材料組合使用，既能降低電機損耗、提升電機綜合性能，又能充分利用零部件，降低再制造成本。
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正文部分
電機鐵心是電機內的關鍵部件，其性能的改善對電機整體性能的提升具有重要意義。永磁電機本身性能較為優異，同時與一般的電機設計相比，再制造電機還受到原有鐵心結構的限制，因此其性能難以提升。傳統電機鐵心材料一般選用冷軋硅鋼片，而非晶合金材料與硅鋼片相比，其加工過程更加環保，且具有更低的鐵心損耗，應用于電機鐵心可以使電機鐵耗顯著降低，從而提高效率。
1 電機參數及混合疊壓方法
1.1 定子材料
原電機所用的硅鋼材料牌號為B35AV1900，所用非晶合金材料牌號為Metglas2605SA1。圖1為由湖南聯眾MATS-2010S軟磁測量裝置測得的硅鋼材料和非晶合金試樣的磁化曲線。對比兩者磁化曲線可知，硅鋼材料的飽和磁通密度（簡稱“磁密”）約為1.80 T，非晶合金的飽和磁通密度約為1.44 T，在相同磁場強度情況下，非晶合金對應的磁通密度小于硅鋼材料的磁通密度。
圖1 硅鋼和非晶合金的磁化曲線
Fig.1 Magnetization curves of silicon steel and amorphous alloy
1.2 電機參數
以一臺8極48槽內置式永磁同步電機為例進行定子混合疊壓再制造。電機的參數見表1。
表1 電機主要參數
Tab.1 Main parameters of motor
1.3 混合疊壓方法
受到原鐵心材料和結構的限制，再制造的電機鐵心性能較差。利用性能優異的非晶材料替換原鐵心，可以顯著降低鐵心的損耗，但非晶材料飽和磁密較小，且成本較高。通過合理選擇材料比例，將非晶材料與硅鋼材料組合使用，既能降低電機損耗、提升電機綜合性能，又能充分利用零部件，降低再制造成本。定子混合疊壓是將不同材料沿電機軸向間隔疊壓制成定子鐵心，規定相同材料的每段疊片段長度相等。
展開 軸向磁通與徑向磁通永磁同步電機性能對比
通常為了進一步降低定子繞組產生的損耗與端部用銅量，多采用分數槽集中繞組，可以在一定程度上提升電機效率、降低成本。
1.3 定子制造
對于RFPM電機而言，為了降低定子鐵心損耗，通常用開槽的硅鋼片軸向疊壓制成定子鐵心，將繞組纏繞于定子齒上，利用槽楔對槽口進行封閉，防止繞組脫落。
而AFPM電機定子制造方式多樣，比較常見的制造方式有兩種：利用全自動沖卷機對定子卷繞制成；定子齒、定子軛與繞組三部分拼接而成。
圖4為卷繞定子鐵心模型。這種卷繞而成的定子鐵心損耗較小，但該結構對繞組進行繞制時，由于電機內徑處空間狹小，繞組安裝較困難，且內徑處電負荷較大，使得繞組溫度較高。圖5為拼接定子鐵心圖。先將繞組纏繞于定子齒部，再將多個定子齒與疊壓而成的定子軛拼接，形成定子部分。這種結構的特點是繞線方便，可減少繞組端部長度，同時可以降低感應電動勢諧波；但定子齒為實體，導致其渦流損耗較大；該定子結構由多個部件組成，裝配過程較復雜。
展開 [轉載]關于Ansoft maxwell中電機鐵耗和渦流損耗計算的說明
先談一下什么情況下需要做鐵耗分析。對常規交流電機（同步或者異步電機），只有定子鐵心才會產生鐵耗，轉子鐵心是沒有鐵耗的，學過電機的人都明白的。因此，只需要對定子鐵心給出B-P曲線（也就是鐵損曲線）。注意，B-P曲線分為單頻和多頻兩種，能給出多頻損耗曲線最好，這樣maxwell算得準些。設置完鐵損曲線以后，還要記得在excitations/set core loss，對定子鐵心勾選才行。此時，不需要給定子和轉子鐵心再施加電導率，這是初學者容易忽視的問題。后處理中，通過result/create transient reports/core loss查看鐵耗隨時間變化曲線。
再談一下什么情況下需要做渦流損耗分析。對永磁電機，永磁體受空間高次諧波的影響，會在表面產生渦流損耗；對實心轉子電機，由于是大塊導體，因此渦流損耗占絕大部分。以上兩種情況需要考慮做渦流損耗分析。現以永磁電機為例，具體闡述。對永磁體設置電導率，然后對每個永磁體分別施加零電流激勵源，在excitations/set eddy effect，對永磁體勾選。注意，若只考慮永磁體的渦流損耗，而不考慮電機其他部分（定轉子鐵心）的渦流損耗，則只需要給永磁體賦予電導率值，其他部件不需要賦電導率，這是初學者容易搞錯的地方。簡而言之，只對需要考慮渦流損耗的部件，施加電導率，零電流激勵和set eddy effect。后處理中，通過results/create transient reports/retangular report/solid loss查看渦流損耗隨時間變化曲線。最后，再次強調一下，做渦流損耗分析，需要skin depth based refinement網格剖分才行。
以上方法，適用于Ansoft maxwell 13.0.0及以上版本，并適用于所有電機種類。
展開 
從電磁力波到噪聲：工程師如何"扼殺"電機的刺耳聲音？
電機電磁噪聲產生的原因大多如下所述：氣隙中存在各次諧波磁場，它們除產生切向力矩外，還會相互作用產生徑向電磁拉力，這種徑向力是一種行波，特稱之為徑向電磁力密度諧波或者徑向電磁力波，電磁力波作用于定子鐵心，導致定子鐵心徑向振動，定子徑向振動引起周圍空氣振動，從而產生電磁噪聲。
當電磁力波的階次低、幅值高，定子或者定子鐵心中存在該電磁力波相同階次和頻率接近的固有模態，該電磁力波會引起定子或者定子鐵心共振，從而導致高的電磁噪聲。
解決電磁噪聲問題，首先要準確分析和計算電磁力波。通過修改電機結構參數，削弱或者消除引起電磁噪聲的電磁力波是設計低噪聲電機最有效的方法。
iEmSim中“電磁穩態(網絡路法)”可以快速計算電磁力及其諧波，電磁力顯示形式包括：空間圖、時空圖、頻域圖、曲線圖、云圖、柱狀圖、數據表格、理論解析式說明表單、結論表單、動畫等。
氣隙徑向磁力以圖形展現如圖1至圖8所示。
氣隙徑向力波以文表形式展現如圖9、圖10和圖11所示。圖9和圖10中一行數據代表一個氣隙磁力密度諧波，圖9中每個氣隙徑向力波均包含：階次、頻率、幅值、相角、轉向。圖10顯示的是每個徑向力波的階次解析式和頻率解析式。圖11顯示的每行數據代表氣隙徑向磁力密度諧波與氣隙徑向磁密諧波對的對應關系，B(n)代表磁密諧波，n為該磁密諧波在磁密諧波數據表格中的序號。通過如圖9、圖10和圖11所示的數據可以查找分析出電磁力波產生所對應的結構參數和運行工況條件，修改結構參數，比如定子槽數、轉子槽數等，可以削弱或者消除某些電磁力波。
iEmSim幫助文檔中對電機電磁振動噪聲分析基本準則有詳細總結和闡述。
展開 CAD/CAE在大型汽輪 發電機設計研發中的應用
完成應用實例3.1“空冷180MW發電機定子鐵心強度計算”部分。
來源： 數字仿真聯盟
不同槽極數配合的永磁電機噪聲特性分析
，并利用快速傅里葉變換得出了 3 種電機噪聲的頻譜圖; 最后，綜合電磁力空間階次、頻率特征以及定子鐵心的模態對測試結果進行了分析。
商用電動車用永磁同步電機電磁振動噪聲削弱方法
2 電機電磁分析
2.1 電磁力計算
由麥克斯韋應力張量法可知，施加到定子鐵心的徑向電磁力密度的解析式為
式中，fr為徑向電磁力密度，單位為N/m2 ；Br為電機氣隙磁通密度的徑向分量，單位為T；Bt為電機氣隙磁通密度的切向分量，單位為T；μ0為真空磁導率，其值為4πX10-7H/m。
由于磁力線在進入定轉子鐵心時，主要沿垂直于定轉子鐵心方向進入。而且定子鐵心所用的硅鋼片的磁導率一般在2000'?6000'之間，遠大于空氣磁導率。因此，徑向氣隙磁密所造成的影響遠遠超過切向氣隙磁密，切向氣隙磁密可忽略不計，定子鐵心的徑向電磁力可近似為以下解析式
Brδ和Bsδ分別表示此電機雙U型轉子永磁磁動勢作用于電機氣隙處所產生的磁密、定子電樞反應磁動勢作用于電機氣隙處產生的磁密，單位均為T；λδ為等效氣隙磁導 單位為H-1.
電機雙U型轉子永磁體產生的永磁磁動勢為
定子通入三相對稱電流時，定子電樞反應磁動勢為
式中，p為電機極對數；t為時間，單位為s ；θ和?μ，3分別為轉子機械角度和磁動勢初相角，單位均為rad；F￡和FR*s分別為vR次氣隙諧波磁勢幅值、 電機定子繞組所通三相正弦電流產生的諧波磁動勢幅值，單位均為A；vR 、μ、vS分別為轉子永磁磁場諧波次數、 電機定子所通入三相正弦電流諧波次數、電樞反應磁場諧波次數，其大小分別為2K+ 1 ( k =0，1，2 ……)、6Kμ +1 ( k y0，±1，±2 ……)、6Kr +1 (k =0，±1，±2……)，其正、負號則分別表示諧波磁場旋轉方向的正負，諧波磁場的次數由其絕對值所代表。
展開 車用永磁同步電機的電磁噪聲分析與抑制
3.1 電機結構部件對模態的影響
在ANSYS Workbench有限元仿真環境下,對定子鐵心加繞組、定子系統(定子鐵心+繞組+外殼)和整機(定子系統+轉子+磁鋼+轉軸等)這3種結構模型進行材料定義、網格劃分以及接觸定義等設置。徑向振動形式表現為橢圓形、三角形、四邊形、五邊形、圓形，依次被稱為二階、三階、四階、五階和零階徑向模態振型。從有限元模態分析結果中提取電機徑向模態振型圖，如圖10?圖12所示。
表6為3種結構徑向模態的固有頻率。由圖10?圖12和表5可知，固有頻率隨著階次的增加而增加;3種電機結構零階模態的固有頻率較高,為7 452-7 924 H勺外殼對電機固有頻率影響很大,而轉子、磁鋼和轉軸等結構對電機固有頻率影響較小。圖13為定子系統和整機結構相對于定子鐵心加繞組結構的固有頻率相對增量。
由圖13可知，定子系統和整機結構的固有頻率相對于定子鐵心加繞組結構的增長量接近汐卜殼對低階模態的固有頻率影響很大，比如二階增長了 59%,對高階模態的固有頻率影響相對較小，比如五階增長了 14%,表明外殼對低階徑向模態主要貢獻剛度,對高階模態主要貢獻質量;轉子、磁鋼和轉軸等結構對零階固有頻率存在影響,整機結構相比定子鐵心加繞組結構的零階固有頻率增加了 472 Hz,增長了 6%。因此建立完整的電機結構模態仿真模型是必要的。
3.2安裝固定方式對模態的影響
本文為了研究安裝固定方式對電機模態的影響，模擬3種常見的車用PMSM的安裝固定方式,如圖14所示。對機殼上端平面、一側端蓋面和兩側端蓋面依次施加約束，深色面為約束面(FixedSupport) 。
從模態仿真結果中提取3種安裝固定方式下的模態振型圖如圖15?圖17所示。
展開 一文了解新能源汽車常用的驅動電機類型及原理
定子由定子鐵心和三相繞組組成；轉子常用籠型轉子，包括轉子鐵心和籠型繞組。根據電機的功率不同會選擇水冷或者風冷方式。（圖1）
1.2交流異步電機的工作原理
1.2.1交流異步電機的驅動工作原理
1.2.1.1定子提供旋轉磁場
交流異步電機要驅動提供扭矩，需要在定子線圈中通入三相交流電，產生不斷旋轉的磁場（磁場轉速為ns）。交流異步電機要求定子三相繞組必須對稱，并且定子鐵心空間上互差120度電角度；通入三相對稱繞組的電流也必須對稱，大小、頻率相同，相位相差120度。旋轉磁場的轉速，見式（1）。
ns=60f/p（1）
式中，ns為旋轉磁場的轉速（也稱同步轉速），r/min；f為三相交流電頻率，Hz；p為磁極對數。對已經設計定型生產的驅動電機，磁級對數已經確定，因此決定磁場旋轉速度的因素為三相交流電頻率。由于我國的電網頻率f=50Hz，因此電機的轉速和磁極對數有線性關系。
展開 一文了解新能源汽車常用的驅動電機類型及原理
2永磁同步電機
2.1永磁同步電機的結構
永磁同步電動機的結構包括定子、轉子、電機軸、前后軸承、端蓋、冷卻水道、位置傳感器、溫度傳感器、低壓線束和動力線束。定子由定子鐵心和三相繞組組成；轉子由永磁體磁極和鐵心組成，鐵心用硅鋼片疊成。根據永磁體在轉子中的布置方式，主要包括表面凸出式永磁轉子、表面嵌入式永磁轉子和內置式永磁轉子，目前新能源電機常用內置式永磁轉子。（圖4）
2.2永磁同步電機的工作原理
2.2.1永磁同步電機的驅動工作原理
由定子提供旋轉的磁場，磁場產生的方式和轉速與交流異步電機相同。由轉子永磁體提供磁極。這樣，定子產生的旋轉磁場，與轉子永磁體磁極和轉子鐵心，形成回路。根據磁阻最小原理，即磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，利用旋轉磁場的電磁力拉動轉子旋轉，于是永磁轉子就會跟隨定子產生的旋轉磁場同步旋轉，從而帶動電機軸旋轉。
2.2.2永磁同步電機的發電原理
根據法拉第電磁感應定律，閉合電路的一部分導體是由三相定子繞組提供，磁場由轉子上的永磁體提供，當外部力矩帶動轉子轉動時，產生旋轉磁場，切割三相定子繞組中的部分導體，產生感應三相對稱電流，此時轉子的動能轉化為電能，永磁同步電機作為發電機工作。
2.3永磁同步電機的優缺點和應用范圍
永磁同步電機的優點是體積小，質量輕，功率密度高，相比于異步電機能耗小，溫升低，效率高。可以根據需求，設計成高啟動轉矩，高過載能力的結構電機。永磁同步電機嚴格同步，動態響應性能較好，適合變頻控制，調整電流與頻率即可很大范圍調整電機的轉矩和轉速。
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為什么4KW以上的電動機用三角形接法？
友情提示:電機定子繞組的首末端是生產廠家事先預定好的，絕對不能任意顛倒是非，但是可以將三相繞組線圈的首末端一起顛倒(如將U2、V2、W2作為首端，而將U1、V1、W1作為末端，但是絕對不能單獨將一相繞組的首末顛倒)，這樣將產生接線錯誤。
?三相異步電動機的結構
三相交流異步電動機的主要部件，見下圖所示
它主要由定子和轉子兩大部分組成。
定子是指電動機的靜止部分。它主要由機座、定子鐵心、端蓋、定子三相對稱繞組等組成。機座通常由鑄鐵或鑄鋼制成。機座內壓裝定子鐵心。定子鐵心是電動機磁路的一部分，為了減少鐵損耗，采用0.5mm厚的硅鋼片疊成圓筒形，壓裝在機座內，見下圖所示
在鐵心的內圓周上，沖有若干均勻分布的槽孔，用以嵌置定子三相繞組。中、小型電動機的定子繞組，一般采用漆包線制成。異步機的三相對稱繞組共有6個出線端，每相繞組的起端和末端分別用U?、V?、W?和U?、V?、W?表示，通常它們都從機座上的接線盒內引出。三相對稱定子繞組可以接成星形，也可以接成三角形，這要看電源的線電壓和繞組的額定電壓而定。例如電源的線電壓為380V，電動機定子繞組的額定相電壓為220V，則繞組必須接成星形；如繞組的額定電壓為380B，則繞組必須按成三角形。只有這樣，才能保證各相繞組在其額定電壓下工作。
展開 新能源汽車講解丨常用的驅動電機類型及原理
開關磁阻電動機本體主要結構包括定子、轉子、位置傳感器、前后軸承、前后端蓋和電機殼體等，如圖6所示。其中，定子包括定子鐵心和繞組。定子鐵心和轉子都采用凸極結構，定子凸極鐵心和轉子都由硅鋼片疊加而成，定子凸極上布置繞組，轉子無繞組和永磁體。
三相6/4極結構表明電動機定子有6個凸極，轉子有個凸極，其中在定子相對稱的兩個凸極上的集中繞組互相串聯，構成一相，相數為定子凸極數/2，如圖7（a）所示。三相12/8極結構表明電動機定子有12個凸極，轉子有8個凸極，其中在定子的4個兩兩對稱凸極上的繞組互相串聯，構成一相，相數為定子凸極數/4，如圖7（b）所示。
開關磁阻電機相數越多，步進角越小，運轉越平穩，越有利于減小轉矩波動，但控制越復雜，以致主開關器件增多和成本增加。
步進角的計算，見式（2）：
α=360°×（定子極數-轉子極數）/（定子極數）（2）如三相6/4極電動機，其步進角a=360°×2（/6×4）=30°。
展開 為什么4kW以上的電動機用三角形接法？
友情提示：
電機定子繞組的首末端是生產廠家事先預定好的，絕對不能任意顛倒是非，但是可以將三相繞組線圈的首末端一起顛倒(如將U2、V2、W2作為首端，而將U1、V1、W1作為末端，但是絕對不能單獨將一相繞組的首末顛倒)，這樣將產生接線錯誤。
三相異步電動機的結構
三相交流異步電動機的主要部件，見下圖所示：
它主要由定子和轉子兩大部分組成。
定子是指電動機的靜止部分。它主要由機座、定子鐵心、端蓋、定子三相對稱繞組等組成。機座通常由鑄鐵或鑄鋼制成。機座內壓裝定子鐵心。定子鐵心是電動機磁路的一部分，為了減少鐵損耗，采用0.5mm厚的硅鋼片疊成圓筒形，壓裝在機座內，見下圖所示：
在鐵心的內圓周上，沖有若干均勻分布的槽孔，用以嵌置定子三相繞組。中、小型電動機的定子繞組，一般采用漆包線制成。異步機的三相對稱繞組共有6個出線端，每相繞組的起端和末端分別用U?、V?、W?和U?、V?、W?表示，通常它們都從機座上的接線盒內引出。三相對稱定子繞組可以接成星形，也可以接成三角形，這要看電源的線電壓和繞組的額定電壓而定。例如電源的線電壓為380V，電動機定子繞組的額定相電壓為220V，則繞組必須接成星形；如繞組的額定電壓為380V，則繞組必須按成三角形。
展開 電機制造工藝關鍵技術
a．鐵心重量或疊壓系數要符合圖紙規定。
鐵芯重量不足將使磁感應強度增加，導致電動機鐵耗增加、激磁電流增大，功率因數和效率降低。
b．壓力應均勻，緊密度要適宜。
鐵芯在機械振動，電磁和熱力綜合作用下，不應出現松動和變形。鐵芯過松，則一定長度內沖片數減少，不僅導磁截面不足，而且引起振動噪音，損壞絕緣；如果壓的過緊，使片間絕緣電阻降低，甚至損壞片間絕緣，將使鐵耗劇增。壓力不均，過緊處絕緣易損壞，過松處往往造成鐵芯松動。
c．幾何尺寸應準確。鐵心總長度、槽形尺寸及徑向通風槽的尺寸和位置等均應符合規定要求，鐵心外徑公差應保證外壓裝定子鐵心同軸度的工藝要求。
d．形狀要求。鐵心同軸度應在規定范圍，壓裝后沖片不應出現波浪形。鐵心邊緣，特別是齒部不應翹起。
e．鐵心軸向中心線位置應符合規定要求，以保證定、轉子中心對稱。
f．鐵心片間絕緣不應被破壞。
5
轉子鑄鋁
表面質量要求：
a．端環、風葉及平衡柱不得有裂紋。
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