2022年04月15日
軟磁材料專題（十五）
軟磁材料可分為金屬軟磁材料、鐵氧體軟磁材料、非晶和納米晶以及其他軟磁材料。近年來應用場景不斷擴展的金屬磁粉芯是以金屬軟磁粉為原料，采用絕緣包覆、壓制、退火、浸潤、噴涂等工藝技術制成的磁芯，也屬于軟磁材料的一種。隨著應用領域的不斷更新，推動軟磁材料的技術迭代，也拓展了軟磁材料在高頻驅動中的應用。本期內容將為大家介紹在電機控制方面高頻應用的兩大原因以及電機的高頻應用。
一、電機控制
對于電機來說，頻率升高首先使電機轉速發(fā)生相應的提高，軸承磨損加劇，大大影響電機壽命；其次，高頻下電機效率會因鐵損的增加而降低，也會造成鐵芯過熱。而頻率降低，感抗減小，電流增大，銅損也就隨之增大，甚至可能因電流過大燒毀。那么在電機中使用高頻主要有以下兩個原因:簡易速度控制和高能封裝。
(1)簡易速度控制
在過去很長一段時間,驅動電機運轉的主要能量來源于三相感應電機，速度控制方法也是有限的，包括變頻器調速、電磁調速控制器和串電阻調速。變頻調速是現在最常見的速度控制方法之一，變頻器調速從最小到最大速度可以連續(xù)平穩(wěn)調節(jié)，并且適用于多種電動機；電磁調速控制器只能對如圖1.1所示的專門的電磁調速電動機進行調速，并不適用于普通電動機，應用范圍受限；電阻調速通過給轉子繞組串聯電阻實現對電動機調速，同樣也不適用于普通電機。
圖1.1 電磁調速電動機
而回旋轉換器電壓/頻率變量模式,不僅昂貴,而且不易控制。面對現代工業(yè)系統(tǒng)，通常有效的速度范圍是小于50或60Hz同步轉速,且計算機控制要求平穩(wěn)速度控制。在相對有限范圍內，激勵頻率的波動對電工鋼的需求造成的影響不會很大。相同的扭矩下,降低轉速能減少能量輸出，這種模式與驅動系統(tǒng)的要求正相適合。
(2)高能量封裝
載流線圈之間的作用力與B2A 成比例,其中A 是線圈面積,B 是主要的磁感應強度。在電機中,力與扭矩關聯,由于力×距離=功,且功/時間=功率,電機的輸出功率將會與轉速等比例上升,如果扭矩維持恒定:
力∝B2A
功∝B2A×S
功率∝B2A×S/t
其中S=2πr，通過提高頻率,轉速能得到明顯提升,相同尺寸和重量的電機,能傳遞更多的能量。然而,當頻率過大時, 渦流損耗隨頻率的平方倍增加，會導致鐵損急劇增加；頻率升高,磁通穿透不徹底，導致鐵芯材料的磁導率急劇下降。有效磁導率降低,所需的磁化電流上升,相應有效的B 下降，扭矩也便降低。
為了使鐵芯材料適應以上需求,可以想辦法推遲功率減少和效率降低的時刻,
然而高頻下功率的減小和效率的降低是不可避免的。
二、電機高頻應用
電工鋼一直是變壓器鐵芯的制造媒介,變壓器鐵芯是實現電能和機械能相互轉換的設備。在電機中,電力系統(tǒng)的操作頻率從牽引電機的50/3Hz，到大規(guī)模的工業(yè)或民用的50或60Hz，且隨著功率電子電路的出現,能量轉換系統(tǒng)中的轉換頻率,最高可能達到20kHz。在航空航天以及其他特殊應用中, 通常采用的頻率為400Hz到2kHz，電機大小及重量比效率更重要，且成本不是主要的決定因素。
此外,在高頻驅動應用中，鈷鐵合金這類更耐高溫的鐵芯材料也得到了廣泛的應用。雖然影響選擇50或60Hz高頻的因素仍然存在, 甚至將在很長一段時間內繼續(xù)存在,一些重要的高頻電機應用領域已經逐步出現。
2.1交流發(fā)電機
電能是現代社會最主要的能源之一。發(fā)電機是將其他形式的能源轉換成電能的機械設備，它由水輪機、汽輪機、柴油機或其他動力機械驅動，將水流、氣流、燃料燃燒或原子核裂變產生的能量轉化為機械能傳給發(fā)電機，再由發(fā)電機轉換為電能。
生產由汽輪機直接驅動的小型交流發(fā)電機是能量產生領域的新方向,這種發(fā)電機中，轉子可以考慮采用永磁體式，最高轉速能達到100000rpm。設計的功率在1kW范圍時，這種發(fā)電機在裝到正規(guī)設備上之前要求被處理。由于輸出頻率、電壓及調控能夠通過整流逆變系統(tǒng)中的反饋通道進行控制，因此多相整流及逆變是可行的。在這個領域中，有許多值得開展的工作，主要需要考慮的是頻率的升高帶來的相關事宜。
2.2磁軸承
磁軸承是一種利用磁鐵相同兩極相互排斥的原理而制造的非接觸高性能軸承。與傳統(tǒng)滾珠軸承、滑動軸承以及油膜軸承相比，磁軸承不存在機械接觸，轉子可以達到很高的運轉速度，具有機械磨損小、能耗低、噪聲小、壽命長、無需潤滑、無油污染等優(yōu)點，特別適用高速、真空、超凈等特殊環(huán)境?？蓮V泛用于機械加工、渦輪機械、航空航天、真空技術、轉子動力學特性辨識與測試等領域，被公認為極有前途的新型軸承。
盡管基于壓力反饋條件檢測的油潤滑軸承具有良好的保護作用,但在新的應用中,磁軸承滿足在高轉速下仍具有低摩擦力和高可靠性要求。并由于電機的轉軸被平衡磁力維持在某一特定位置，本質上來說,可以通過精確檢測，以及采用控制信號對轉軸周圍的電磁場的反饋電流進行控制,來實現對轉軸位置的精確控制(見圖2.1)。
圖2.1 磁軸承
對于高轉速工況,為了能夠快速而準確地傳遞電磁力的設備,響應時間應該在亞毫秒的范圍內。這就要求必須具有高的磁流頻率。能夠滿足以上要求的鐵芯材料,必須要非常薄,以至于具有快速的磁通穿透特性和高的磁導率。
2.3牽引電機
牽引電機是鐵路干線電力機車、工礦電力機車、電力傳動內燃機車和各種電動車輛（如蓄電池車、城市電車、地下鐵道電動車輛）上用于牽引的電機。牽引電機包括牽引電動機、牽引發(fā)電機、輔助電機等。
牽引系統(tǒng)是以牽引電機作為控制對象，通過控制系統(tǒng)對電機的旋轉方向、輸出轉矩及轉速的控制，來選擇機車運行方向并調節(jié)機車運行速度，使其滿足機車牽引性能要求。在機車中通常要求采用矯正或反轉的方式來進行能量模式處理。
對于牽引電機來說，由于60Hz的高頻下鐵損和系統(tǒng)阻抗成為電機面臨的主要問題,因而牽引電機很少在高達60Hz的頻率下工作。雖然頻率上升時能使用更小和更輕的定子傳遞相同的能量流,但由于損耗增加導致電機的效率降低。在適合應用的電壓范圍內,盡管直流電在遠距離傳輸時損耗的能量過大,沒有被大規(guī)模應用。但是,在牽引電機,例如,有軌電車中,主要還是應用直流電。由于牽引電機對于空間、重量、冷卻速度提出了苛刻的允許范圍,因此需要認真考慮鐵損和銅損,保證溫升控制在允許的范圍內。
總的來說，牽引電機設備要求具有魯棒性,強制要求采用空冷,而不是油來進行冷卻,將發(fā)生火災的風險降低到最小以及能減少設備的大小和重量。但由于采用空冷以及具有磁伸縮特性的鐵芯材料使得降低噪音變得更加困難。因此，牽引電機的環(huán)境保護必須引起足夠的重視,將噪音控制在有限范圍內?？梢酝ㄟ^在電感器上繞勵磁線圈來減少銅損，并能夠滿足高頻應用。
下一期內容將繼續(xù)為大家從高頻應用角度來分析電機材料，謝謝觀看！
