隨著全球能源危機(jī)加重，如何降低能源消耗，提升能源利用效率已成為各國關(guān)注的焦點(diǎn)。電動汽車可以實現(xiàn)零排放或近似零排放，能有效解決環(huán)境問題和能源危機(jī)，成為世界各國積極研討的課題。永磁同步電機(jī)因具有調(diào)速性能好、功率密度高、運(yùn)行較可靠等特性，已被廣泛應(yīng)用于電動汽車，其電機(jī)效率也備受關(guān)注。但隨著電機(jī)頻率的上升，電機(jī)的損耗會大幅增加，同時帶來發(fā)熱等問題，導(dǎo)致電動汽車?yán)m(xù)航能力差，安全性能下降，這些問題是由傳統(tǒng)硅鋼片材料的特性所決定的，因此可以考慮改變電機(jī)材料以改善這一情況。

非晶合金材料具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力和低損耗特性，它在一些領(lǐng)域正逐步取代傳統(tǒng)硅鋼片和鐵氧體材料，成為一種新型的綠色材料。中國科學(xué)院物理研究所于2005年成功研制出新型非晶合金。耶魯大學(xué)J. Schroeres等使用金屬合金加工和制造非晶合金微納米，目前非晶合金已廣泛應(yīng)用于變壓器中，并取得很好的效果。

與其他軟磁材料相比，非晶合金材料在高頻時鐵耗較低，其在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用已取得了良好的效果。例如在變壓器上使用非晶合金材料替代傳統(tǒng)的硅鋼片可以大幅降低鐵耗，從而提升效率，節(jié)約能源；非晶合金材料也在一部分異步電機(jī)上應(yīng)用，經(jīng)過參數(shù)調(diào)整，證明非晶合金應(yīng)用于異步永磁電機(jī)定子鐵心可大大降低電機(jī)的鐵耗并提升電機(jī)效率；與此同時，非晶合金材料在電力電子等方面應(yīng)用也較為成熟。因而進(jìn)一步推廣非晶合金材料的應(yīng)用范圍，能較好地解決我國能源利用效率低的問題，非晶合金在很多領(lǐng)域已經(jīng)體現(xiàn)出很高的經(jīng)濟(jì)效益。

本文針對電動汽車用永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）中非晶合金材料帶來的性能改善展開研究。針對一臺18kW永磁同步電機(jī)，制作兩臺相同結(jié)構(gòu)、不同定子鐵心材料的樣機(jī)，其中一臺定子鐵心采用普通硅鋼片，另外一臺采用非晶合金。對比了兩臺電機(jī)的質(zhì)量，采用電磁場數(shù)值計算方法求解兩臺電機(jī)的空載齒槽轉(zhuǎn)矩、磁通密度分布和鐵耗分布，并針對實驗樣機(jī)進(jìn)行測量。

圖14 電機(jī)實驗平臺

結(jié)論

本文針對兩臺18kW、定子鐵心分別采用硅鋼材料和非晶合金材料的永磁同步電機(jī)進(jìn)行分析，建立了有限元分析模型。通過仿真驗證非晶合金電機(jī)的鐵耗遠(yuǎn)小于硅鋼電機(jī)，分析了隨著頻率變化硅鋼電機(jī)和非晶合金電機(jī)的鐵耗變化趨勢。

通過對兩臺電機(jī)進(jìn)行實驗測試，證明了有限元模型的合理性和準(zhǔn)確性；對比了兩臺電機(jī)的效率MAP圖，從圖15和圖16中可看出非晶合金電機(jī)較硅鋼電機(jī)在高速下效率更高，適用范圍更廣，用于電動汽車可以適應(yīng)于更多的工況。但從圖16中也可以看出，非晶合金電機(jī)在低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩下存在電機(jī)效率較低且效率下降快的問題。為充分發(fā)揮非晶合金材料的優(yōu)勢，對非晶合金電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計以進(jìn)一步提高電機(jī)效率，是后續(xù)研究的主要內(nèi)容。