- 頭條不同溫度及諧波下，變頻電機有著怎樣的電磁特性和振動特性？2021-05-29 作者：陳德志 張玉庸 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為研究變頻電機在不同溫度、不同諧波下的電磁性能及考慮硅鋼片磁致伸縮影響的振動特性，沈陽工業大學電氣工程學院的研究人員陳德志、張玉庸、白保東、宋蔣雄，在2020年第22期《電工技術學報》上撰文，對變頻電機鐵心硅鋼片在不同溫度及諧波下的磁性能展開研究，為變頻電機的電磁—振動分析提供了新的思路。
近年來，交流變頻調速系統以其卓越的調速性能、顯著的節電效果以及在世界經濟各個領域的廣泛適用性，在逐步取代直流調速系統的同時，成為最有前景的調速方式之一，但其自身的穩定性問題卻不可忽視。在對電機的設計與分析過程中需要考慮多種因素，如電磁設計過程中定子鐵心硅鋼片的磁化特性、振動及噪聲分析過程中定子鐵心硅鋼片的磁致伸縮特性等。
但直到目前為止，以電磁裝備制造為主的高校、科研院所以及各大企業在對電磁裝置進行設計與研究過程中，對硅鋼片特性參數的應用主要集中在采用室溫下的磁感應強度曲線及損耗曲線，通常不考慮實際工作溫度對電機的影響；同時，在分析電機的振動及噪聲時，大都沒有考慮硅鋼片磁致伸縮對其的影響，這些作用累加起來，將有可能放大電機設計、性能計算與分析時的誤差。
目前，國內外學者對電磁裝置用硅鋼片展開了廣泛的研究。有學者對取向硅鋼片在不同溫度、諧波條件下的磁性能展開過測試分析；有學者對取向硅鋼片在不同直流偏磁下的磁致伸縮特性展開過研究；有學者對無取向硅鋼片磁致伸縮對應力的敏感性進行了研究；有學者對PWM供電下的無取向硅鋼片的磁致伸縮及振動特性展開過研究；有學者在理論上研究了取向硅鋼片的特性，建立了定量描述磁致伸縮和磁感應強度以及應力之間關系的數學模型，并且得到了磁致伸縮的變化趨勢。
還有學者研究了含硅量分別為3.25%～6%取向硅鋼的磁特性以及磁致伸縮特性，認為提高硅鋼片的含硅量可使其磁導率提高到磁化曲線的拐點位置，同時降低樣片的損耗，其磁致伸縮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縮引起的振動。
有學者研究了冷軋硅鋼片直流各向異性磁致伸縮特性，通常認為軋制方向和橫向上磁致伸縮特性的差異最大，但研究表明55°方向和軋制方向之間的磁致伸縮特性差異最大，矯頑力也表現出相同的趨勢，并指出磁致伸縮的各向異性是由樣片本身的晶粒結構以及紋理度決定的；有學者搭建了旋轉單片測試系統，并對取向硅鋼的磁致伸縮特性進行了研究，結果表明樣片的損耗和磁致伸縮都隨著磁感應強度或者磁化方向和軋制方向間的夾角增大而增大，當磁感應強度按橢圓形、菱形變化時，磁致伸縮表現出相似的特性。
有學者對變壓器鐵心硅鋼片的磁致伸縮在不同退火溫度、機械應力等條件下的變化趨勢進行了實驗研究。具體如下：為了考察退火溫度對磁致伸縮應變的影響，實驗分別對加工后的取向硅鋼片采用不同的退火工藝進行處理，并對取向硅鋼片進行了直流磁化，得到磁致伸縮應變與磁感應強度的關系，隨著退火溫度的增加，磁致伸縮應變逐漸由正值變為負值，且磁致伸縮曲線的單調性發生變化。
針對電機的分析方法主要有經驗法、解析法及有限元法，現階段普遍采用有限元法對電機的電磁—機械等特性展開分析。
有學者應用二維有限元法對一臺高速永磁同步電動機的磁場展開過研究；有學者采用多物理場有限元法對永磁同步電動機的損耗、溫度及應力展開過研究；有學者分析了永磁同步電動機電磁力波特征參數和各個階力波的諧波來源，建立了多物理場永磁同步電動機振動及噪聲分析模型，但沒有考慮磁致伸縮對永磁同步電動機振動及噪聲的影響；也有學者在不考慮逆變器諧波的情況下研究了0階力波對永磁同步電動機振動的影響；還有學者分析了硅鋼片磁致伸縮對電機振動及噪聲的影響，但沒有綜合考慮溫度、諧波對電機磁性能及振動特性的影響。
基于此，沈陽工業大學電氣工程學院的研究人員首先對無取向硅鋼片在不同溫度、諧波、磁致伸縮下的特性展開測試與分析，給出了B-H、B-P及磁致伸縮等數據；其次，以不同溫度、諧波、磁致伸縮下的特性數據為基礎，基于COMSOL有限元分析軟件，對一臺1140V/75kW變頻電機的電磁特性、振動特性展開仿真分析，并在仿真過程中考慮溫度、諧波及磁致伸縮對變頻電機鐵心硅鋼片性能的影響；最后，對其進行振動實驗研究，驗證了所提方案的正確性。
圖1 變頻電機實驗系統測試平臺
研究人員通過對1140V/75kW變頻電機的電磁特性及振動特性展開的分析與研究，得出如下結論：
圖2 變頻電機實驗系統測點位置
圖3 變頻電機實驗測試儀器
1）測量了不同溫度下無取向硅鋼片的磁性能，測試結果表明：在磁感應強度1.4T下，20℃時磁場強度為270A/m，80℃時磁場強度為300A/m，300℃時磁場強度為500A/m；20℃時相對磁導率為2000，80℃時磁導率為1800，300℃時相對磁導率為1500；在磁感應強度1.5T下，20℃時單位鐵損為2.7W/kg，80℃時單位鐵損為2.5W/kg，300℃時單位鐵損為2.2W/kg。這說明溫度對無取向硅鋼片的磁性能有一定的影響，在分析與設計電磁裝置的過程中，應該考慮溫度的影響。
2）測量了不同諧波下的無取向硅鋼片的磁性能，測試結果表明：隨著頻率的升高，磁感應強度的拐點向右偏移。
3）利用不同溫度及諧波下的無取向硅鋼片的磁性能數據，對變頻電機進行了電磁特性仿真，利用20℃時測得的硅鋼片磁特性曲線與120℃時測得的硅鋼片磁特性曲線變頻電機的磁感應強度相差0.001T。利用50Hz時測得的硅鋼片磁特性曲線與250Hz測得的硅鋼片磁特性曲線變頻電機的磁感應強度相差0.0321T。
4）利用測量得到的無取向硅鋼片單值磁致伸縮曲線，對變頻電機進行了振動仿真，考慮磁致伸縮影響下變頻電機的振動位移要比未考慮磁致伸縮影響的振動位移大，其中a點大0.3μm，b點大0.4μm。
5）搭建了1140V/75kW變頻電機在變頻供電下的振動實驗平臺，并進行了振動實驗研究。實驗結果表明，振動位移的仿真及實驗在一個數量級內，其理論分析可以指導電機的分析與設計。
以上研究成果發表在2020年第22期《電工技術學報》，論文標題為“不同溫度及諧波下硅鋼片電磁—力特性與變頻電機振動”，作者為陳德志、張玉庸、白保東、宋蔣雄。
