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近年來，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果以及在世界經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域的廣泛適用性，在逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)的同時(shí)，成為最有前景的調(diào)速方式之一，但其自身的穩(wěn)定性問題卻不可忽視。在對電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析過程中需要考慮多種因素，如電磁設(shè)計(jì)過程中定子鐵心硅鋼片的磁化特性、振動(dòng)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(yè)在對電磁裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究過程中，對硅鋼片特性參數(shù)的應(yīng)用主要集中在采用室溫下的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線及損耗曲線，通常不考慮實(shí)際工作溫度對電機(jī)的影響；同時(shí)，在分析電機(jī)的振動(dòng)及噪聲時(shí)，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(jī)設(shè)計(jì)、性能計(jì)算與分析時(shí)的誤差。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對電磁裝置用硅鋼片展開了廣泛的研究。有學(xué)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(xué)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(xué)者對無取向硅鋼片磁致伸縮對應(yīng)力的敏感性進(jìn)行了研究；有學(xué)者對PWM供電下的無取向硅鋼片的磁致伸縮及振動(dòng)特性展開過研究；有學(xué)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(yīng)強(qiáng)度以及應(yīng)力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并且得到了磁致伸縮的變化趨勢。

還有學(xué)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(rèn)為提高硅鋼片的含硅量可使其磁導(dǎo)率提高到磁化曲線的拐點(diǎn)位置，同時(shí)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(dòng)。

有學(xué)者研究了冷軋硅鋼片直流各向異性磁致伸縮特性，通常認(rèn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)以及紋理度決定的；有學(xué)者搭建了旋轉(zhuǎn)單片測試系統(tǒng)，并對取向硅鋼的磁致伸縮特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明樣片的損耗和磁致伸縮都隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度或者磁化方向和軋制方向間的夾角增大而增大，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度按橢圓形、菱形變化時(shí)，磁致伸縮表現(xiàn)出相似的特性。

有學(xué)者對變壓器鐵心硅鋼片的磁致伸縮在不同退火溫度、機(jī)械應(yīng)力等條件下的變化趨勢進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。具體如下：為了考察退火溫度對磁致伸縮應(yīng)變的影響，實(shí)驗(yàn)分別對加工后的取向硅鋼片采用不同的退火工藝進(jìn)行處理，并對取向硅鋼片進(jìn)行了直流磁化，得到磁致伸縮應(yīng)變與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系，隨著退火溫度的增加，磁致伸縮應(yīng)變逐漸由正值變?yōu)樨?fù)值，且磁致伸縮曲線的單調(diào)性發(fā)生變化。

針對電機(jī)的分析方法主要有經(jīng)驗(yàn)法、解析法及有限元法，現(xiàn)階段普遍采用有限元法對電機(jī)的電磁—機(jī)械等特性展開分析。

有學(xué)者應(yīng)用二維有限元法對一臺(tái)高速永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場展開過研究；有學(xué)者采用多物理場有限元法對永磁同步電動(dòng)機(jī)的損耗、溫度及應(yīng)力展開過研究；有學(xué)者分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁力波特征參數(shù)和各個(gè)階力波的諧波來源，建立了多物理場永磁同步電動(dòng)機(jī)振動(dòng)及噪聲分析模型，但沒有考慮磁致伸縮對永磁同步電動(dòng)機(jī)振動(dòng)及噪聲的影響；也有學(xué)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(dòng)機(jī)振動(dòng)的影響；還有學(xué)者分析了硅鋼片磁致伸縮對電機(jī)振動(dòng)及噪聲的影響，但沒有綜合考慮溫度、諧波對電機(jī)磁性能及振動(dòng)特性的影響。

基于此，沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)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(shù)據(jù)；其次，以不同溫度、諧波、磁致伸縮下的特性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于COMSOL有限元分析軟件，對一臺(tái)1140V/75kW變頻電機(jī)的電磁特性、振動(dòng)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(jī)鐵心硅鋼片性能的影響；最后，對其進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了所提方案的正確性。

圖1 變頻電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試平臺(tái)

研究人員通過對1140V/75kW變頻電機(jī)的電磁特性及振動(dòng)特性展開的分析與研究，得出如下結(jié)論：

圖2 變頻電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測點(diǎn)位置

圖3 變頻電機(jī)實(shí)驗(yàn)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(jié)果表明：在磁感應(yīng)強(qiáng)度1.4T下，20℃時(shí)磁場強(qiáng)度為270A/m，80℃時(shí)磁場強(qiáng)度為300A/m，300℃時(shí)磁場強(qiáng)度為500A/m；20℃時(shí)相對磁導(dǎo)率為2000，80℃時(shí)磁導(dǎo)率為1800，300℃時(shí)相對磁導(dǎo)率為1500；在磁感應(yīng)強(qiáng)度1.5T下，20℃時(shí)單位鐵損為2.7W/kg，80℃時(shí)單位鐵損為2.5W/kg，300℃時(shí)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(shè)計(jì)電磁裝置的過程中，應(yīng)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(jié)果表明：隨著頻率的升高，磁感應(yīng)強(qiáng)度的拐點(diǎn)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(shù)據(jù)，對變頻電機(jī)進(jìn)行了電磁特性仿真，利用20℃時(shí)測得的硅鋼片磁特性曲線與120℃時(shí)測得的硅鋼片磁特性曲線變頻電機(jī)的磁感應(yīng)強(qiáng)度相差0.001T。利用50Hz時(shí)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(jī)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(jī)進(jìn)行了振動(dòng)仿真，考慮磁致伸縮影響下變頻電機(jī)的振動(dòng)位移要比未考慮磁致伸縮影響的振動(dòng)位移大，其中a點(diǎn)大0.3μm，b點(diǎn)大0.4μm。

5）搭建了1140V/75kW變頻電機(jī)在變頻供電下的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了振動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，振動(dòng)位移的仿真及實(shí)驗(yàn)在一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)，其理論分析可以指導(dǎo)電機(jī)的分析與設(shè)計(jì)。

以上研究成果發(fā)表在2020年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“不同溫度及諧波下硅鋼片電磁—力特性與變頻電機(jī)振動(dòng)”，作者為陳德志、張玉庸、白保東、宋蔣雄。