2022年04月15日
软磁材料专题（十五）
软磁材料可分为金属软磁材料、铁氧体软磁材料、非晶和纳米晶以及其他软磁材料。近年来应用场景不断扩展的金属磁粉芯是以金属软磁粉为原料，采用绝缘包覆、压制、退火、浸润、喷涂等工艺技术制成的磁芯，也属于软磁材料的一种。随着应用领域的不断更新，推动软磁材料的技术迭代，也拓展了软磁材料在高频驱动中的应用。本期内容将为大家介绍在电机控制方面高频应用的两大原因以及电机的高频应用。
一、电机控制
对于电机来说，频率升高首先使电机转速发生相应的提高，轴承磨损加剧，大大影响电机寿命；其次，高频下电机效率会因铁损的增加而降低，也会造成铁芯过热。而频率降低，感抗减小，电流增大，铜损也就随之增大，甚至可能因电流过大烧毁。那么在电机中使用高频主要有以下两个原因:简易速度控制和高能封装。
(1)简易速度控制
在过去很长一段时间,驱动电机运转的主要能量来源于三相感应电机，速度控制方法也是有限的，包括变频器调速、电磁调速控制器和串电阻调速。变频调速是现在最常见的速度控制方法之一，变频器调速从最小到最大速度可以连续平稳调节，并且适用于多种电动机；电磁调速控制器只能对如图1.1所示的专门的电磁调速电动机进行调速，并不适用于普通电动机，应用范围受限；电阻调速通过给转子绕组串联电阻实现对电动机调速，同样也不适用于普通电机。
图1.1 电磁调速电动机
而回旋转换器电压/频率变量模式,不仅昂贵,而且不易控制。面对现代工业系统，通常有效的速度范围是小于50或60Hz同步转速,且计算机控制要求平稳速度控制。在相对有限范围内，激励频率的波动对电工钢的需求造成的影响不会很大。相同的扭矩下,降低转速能减少能量输出，这种模式与驱动系统的要求正相适合。
(2)高能量封装
载流线圈之间的作用力与B2A 成比例,其中A 是线圈面积,B 是主要的磁感应强度。在电机中,力与扭矩关联,由于力×距离=功,且功/时间=功率,电机的输出功率将会与转速等比例上升,如果扭矩维持恒定:
力∝B2A
功∝B2A×S
功率∝B2A×S/t
其中S=2πr，通过提高频率,转速能得到明显提升,相同尺寸和重量的电机,能传递更多的能量。然而,当频率过大时, 涡流损耗随频率的平方倍增加，会导致铁损急剧增加；频率升高,磁通穿透不彻底，导致铁芯材料的磁导率急剧下降。有效磁导率降低,所需的磁化电流上升,相应有效的B 下降，扭矩也便降低。
为了使铁芯材料适应以上需求,可以想办法推迟功率减少和效率降低的时刻,
然而高频下功率的减小和效率的降低是不可避免的。
二、电机高频应用
电工钢一直是变压器铁芯的制造媒介,变压器铁芯是实现电能和机械能相互转换的设备。在电机中,电力系统的操作频率从牵引电机的50/3Hz，到大规模的工业或民用的50或60Hz，且随着功率电子电路的出现,能量转换系统中的转换频率,最高可能达到20kHz。在航空航天以及其他特殊应用中, 通常采用的频率为400Hz到2kHz，电机大小及重量比效率更重要，且成本不是主要的决定因素。
此外,在高频驱动应用中，钴铁合金这类更耐高温的铁芯材料也得到了广泛的应用。虽然影响选择50或60Hz高频的因素仍然存在, 甚至将在很长一段时间内继续存在,一些重要的高频电机应用领域已经逐步出现。
2.1交流发电机
电能是现代社会最主要的能源之一。发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流、气流、燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。
生产由汽轮机直接驱动的小型交流发电机是能量产生领域的新方向,这种发电机中，转子可以考虑采用永磁体式，最高转速能达到100000rpm。设计的功率在1kW范围时，这种发电机在装到正规设备上之前要求被处理。由于输出频率、电压及调控能够通过整流逆变系统中的反馈通道进行控制，因此多相整流及逆变是可行的。在这个领域中，有许多值得开展的工作，主要需要考虑的是频率的升高带来的相关事宜。
2.2磁轴承
磁轴承是一种利用磁铁相同两极相互排斥的原理而制造的非接触高性能轴承。与传统滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以达到很高的运转速度，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用高速、真空、超净等特殊环境。可广泛用于机械加工、涡轮机械、航空航天、真空技术、转子动力学特性辨识与测试等领域，被公认为极有前途的新型轴承。
尽管基于压力反馈条件检测的油润滑轴承具有良好的保护作用,但在新的应用中,磁轴承满足在高转速下仍具有低摩擦力和高可靠性要求。并由于电机的转轴被平衡磁力维持在某一特定位置，本质上来说,可以通过精确检测，以及采用控制信号对转轴周围的电磁场的反馈电流进行控制,来实现对转轴位置的精确控制(见图2.1)。
图2.1 磁轴承
对于高转速工况,为了能够快速而准确地传递电磁力的设备,响应时间应该在亚毫秒的范围内。这就要求必须具有高的磁流频率。能够满足以上要求的铁芯材料,必须要非常薄,以至于具有快速的磁通穿透特性和高的磁导率。
2.3牵引电机
牵引电机是铁路干线电力机车、工矿电力机车、电力传动内燃机车和各种电动车辆（如蓄电池车、城市电车、地下铁道电动车辆）上用于牵引的电机。牵引电机包括牵引电动机、牵引发电机、辅助电机等。
牵引系统是以牵引电机作为控制对象，通过控制系统对电机的旋转方向、输出转矩及转速的控制，来选择机车运行方向并调节机车运行速度，使其满足机车牵引性能要求。在机车中通常要求采用矫正或反转的方式来进行能量模式处理。
对于牵引电机来说，由于60Hz的高频下铁损和系统阻抗成为电机面临的主要问题,因而牵引电机很少在高达60Hz的频率下工作。虽然频率上升时能使用更小和更轻的定子传递相同的能量流,但由于损耗增加导致电机的效率降低。在适合应用的电压范围内,尽管直流电在远距离传输时损耗的能量过大,没有被大规模应用。但是,在牵引电机,例如,有轨电车中,主要还是应用直流电。由于牵引电机对于空间、重量、冷却速度提出了苛刻的允许范围,因此需要认真考虑铁损和铜损,保证温升控制在允许的范围内。
总的来说，牵引电机设备要求具有鲁棒性,强制要求采用空冷,而不是油来进行冷却,将发生火灾的风险降低到最小以及能减少设备的大小和重量。但由于采用空冷以及具有磁伸缩特性的铁芯材料使得降低噪音变得更加困难。因此，牵引电机的环境保护必须引起足够的重视,将噪音控制在有限范围内。可以通过在电感器上绕励磁线圈来减少铜损，并能够满足高频应用。
下一期内容将继续为大家从高频应用角度来分析电机材料，谢谢观看！
