关键词：

1. 铁耗的模型如何计算；
2. 冲片生产制造过程中影响铁耗的因素；
3. 如何从设计到生产全流程解决铁耗的问题；
4. 如何让从工程的角度解决铁耗计算难，分析难的问题；
5. 考虑线切割及激光切割下冲片损伤损耗的计算；
6. 如何应用maxwell等相关软件更进一步的计算电机铁耗。

开篇

铁损是指电机在运行过程中磁滞损耗以及涡流损耗而造成的损耗，此损耗在一定程度上可以理解成能源浪费。但是在实际电机运行的过程中，铁损属于不可避免的问题，除非使用无铁芯的材料。同时，因为不同的设计和电机的制造工艺，在实际电机的分析及设计应用上也有着较大的差异性。针对这一现象，要想有效解决电机设计及制造工艺对铁损的影响，应通过铁损影响理论或倒推确定电机设计及制造工艺以及优化方向。另外，对于电机内铁损的精准计算属于行业的难题。应该没有很明确的公认的比较牛的算法或者软件能够说电机的铁耗能够准确的算出，不过这也有可能是个人的拙见而已。也看到了一些国内外的文章声称可以通过一些比较先进的铁耗计算模型来精准的计算，这个后面有兴趣的可以一起探讨。本人学识有限也只能膜拜了。最后，总结本篇小记也不属于个人的心得，应该准确的来讲是把互联网中前辈们的一些语录用个人的理解梳理下来，能够串起来用比较容易理解的语言帮助一些人建立认识，能达到一个目的加深对铁耗工程化求解以及应用即可，想要深入可能还达不到，另外精准的计算属于科研的问题，自认为做工程应用及设计这个东西数越想越糊涂，越想越有用的问题，还是要有一些了解。

仿真原理相关

在建立的铁耗模型时,通常要假定电机中磁密随时间的变化是已知的。磁密计算的误差过大将使得铁耗的精确预测或解析模型的开发变得毫无意义。传统的铁耗计算法是将磁密进行傅里叶分解，从而可以解析到谐波分量中,并估计各次谐波的损耗。对于铁耗的BP曲线，损耗曲线通常是由矽钢片供应商提供的,或者有条件的也可以通过标准测试仪器,如爱泼斯坦方圈仪测量。高频损耗也可以由供应商提供或需通过试验或通过从主要频率损耗值简单缩放比例的形式确定。利用叠加原理,电机总铁耗就可以由各谐波损耗简单相加得到。当然了该方法有许多主要的缺点。首先由于材料是非线性的,所以叠加原理是无效的。其次,试验测量法和/或高频损耗的比例缩放对测量范围以外的数值来说变得不可靠了。这与高频槽谐波的精确计算相关。因此就希望有一种更可靠的铁耗模型,它不仅适用于随时间变化的瞬时磁密,也可以用来对更高频率时的情况作合理的比较有把握的推断。

冲片损耗系数的测量

一般来讲，通过供应商所提供的标准损耗数据就能够获得材料常数，当然也可以使用试验测量法，如爱泼斯坦方圈仪测量获得相应的材料常数。但此种方法却无法获得边缘材料的常数，这是因为剪切边缘本身的损耗信息是无法从矽钢片的供应商那里获得的，也无法通过爱泼斯坦方圈仪创造出一个具有正确晶体结构的样品加以测量。所以，要想获得边缘材料的常数值，就应该变换一种测量方法，可以在保准的爱泼斯坦方圈仪样品测量过程中，对冲击边缘数量予以增加，之后测量铁损的实际增加情况，而这种方式恰恰能够通过铁损的实际增量对边缘损耗密度加以确定。如若我们假设损耗的增加是因为方圈附近的边缘造成的，并且冲击边缘横截面中的磁密始终保持恒定状态，则可以忽视重叠角之中磁路增加的复杂性。之后，在对原始样品实施铁损测量，并且优先得知应力区的实际深度，这样才能够通过材料的比对开展显微检查。假设材料的实际破坏深度与有效冲击间隙之间相等，那么可以采取此方法对不同叠片材料开展相应的试验工作，其中最为典型的代表为:磁密为1.5T时，损耗密度为30～40W/kg。因为在设计过程中可以将叠片材料冲击下引发的铁损增加情况包含进去，且铁损的解析方法可以通过叠片剪切边缘损耗进行预测，所以更能够依靠相关数量以及影响条件开展更为深入的研究工作，从而保证电机制造工艺的后续开展更加具有比对性。

影响基本铁耗的因素

分析问题我们先知道些基本的理论，这样有助于我们理解。首先我们要知道两个概念，一个是交变磁化举个简单的说法就是变压器中铁芯以及电机的定子或转子齿中所发生的；一个是旋转磁化性质的，就是电机定子或者转子轭部所产的。有很多文章从两个点出发按照上述求解的方式根据不同的特征来计算电机的铁耗。试验表明，矽钢片在两种性质磁化下存在以下现象：磁通密度在1.7特斯拉以下时，旋转磁化引起的磁滞损耗较之交变磁化引起的为大；当高于1.7特斯拉时，则相反。电机轭部磁通密度一般在1.0～1.5特斯拉，相应旋转磁化磁滞损耗较之交变磁化磁滞损耗约大45～65%。当然了上述的结论也是拿来的，个人没有经过实际的去验证。另外，铁芯中的磁场发生变化时，在其中会感生电流，称为涡流，它引起的损耗称为涡流损耗。为了减少涡流损耗，电机铁芯通常不能做成整块的，而由彼此绝缘的钢片沿轴向叠压起来，以阻碍涡流的流通。具体的铁耗的计算公式这里就不累赘了，大家百度铁耗计算基本的公式以及意义就会很清晰了。下面分析几个主要的影响我们铁耗的关键点，这样大家在实际的工程应用的时候也好正向或者倒推问题之所在。

讲完了上面的再说下为什么冲片的制造为何会有影响铁耗？冲孔工艺特性主要是根据不同形状的冲床，根据不同类型的孔、槽需求，确定相应的剪切模式以及应力水平，进而保证叠片外围的浅应力区域的条件。因为深度和形状的关系，常常会受到锐角影响，以至于高应力水平会在浅应力区域造成极大的铁损情况，特别是在叠片范围内的剪切边缘相对较长的那个部分。具体来讲，主要出现在齿槽区域内，故而在实际研究过程中，往往成为了研究的关注点。低损耗矽钢片往往通过较大尺寸的晶粒加以确定，冲击会在冲片底边造成带合成的毛刺和撕裂剪切，且冲击的角度会对影响毛刺大小、变形区域造成明显的影响。如若一个高应力区，其沿着边缘变形区一直延伸到材料的内部，那么这些区域内的晶粒结构势必会发生相应的改变，会被扭曲或者是断裂，并且沿着撕裂的方向产生极度拉长边界，此时剪切方向内的应力区域晶界密度势必会有所增加，进而导致该区域内部的铁损相应增加。所以，此时可以将应力区域内的材料当成是沿着冲击边缘落在普通叠片之上的高损耗材料，这样的话，就可确定下来边缘材料的实际常数，利用铁损模型对冲击边缘的实际损耗开展进一步确定。

退火工艺对铁损影响

铁损的影响条件主要存在于矽钢片方面，并且机械与热应力会随着自身的实际特性改变而影响矽钢片，额外的机械应力会导致铁损变化的情况。同时，电机内部温度的不断升高，同样会促使铁损问题的出现。采取有效的退火措施，将额外的机械应力去除掉，会对电机内铁耗的降低产生有利的影响。

制造工艺中照成损耗偏大的原因

矽钢片作为电机的主要导磁材料，其性能符合性对电机性能影响极大，主要是保证矽钢片的牌号符合设计要求，另外就是相同牌号的矽钢片不同的厂家材料性能有一定的差异性，在选择材料时应尽力选取好的矽钢厂家的材料。下面说些之前实际遇到的影响铁耗的关键因素。

• 矽钢片未进行绝缘处理或未处理好。该类问题在矽钢片的检测过程可以发现，但不是所有的电机厂家都有该检测项目，该问题往往在电机厂家得不到较好识别。
• 片间绝缘受损或片与片之间的短路。该类问题发生在铁芯的制造过程中。如果铁芯叠压时的压力过大，使片间绝缘破坏；或冲片冲制后毛刺太大，通过打磨的方式清除毛刺，导致冲片表面绝缘严重受损；还有铁芯叠压完成后槽内不光，采用修锉方式；或因定子内膛不光、定子内膛与机座止口不同心等因素采用车削方式修正。这些电机生产加工过程的惯用用法实则对电机的性能，特别是铁损有极大的影响。
• 用火烧或通电加热等方法拆绕组时，造成铁芯过热，使导磁性能下降和片间绝缘损坏。该问题主要出现在生产加工过程绕组的修理及电机的修理过程中。
• 叠装焊接等工艺同样会造成叠片之间绝缘的破坏，增加涡流损耗。
• 铁重不足片间未压实。最终的结果是铁芯的重量不足，最为直接的会导致电流超差，同时会有铁损超标的事实。
• 矽钢片涂漆过厚致磁路过于饱和，此时空载电流与电压的关系曲线弯曲得较严重。这也是矽钢片生产加工过程的关键性要素。
• 铁芯生产加工过程中会造成矽钢片冲剪面附件晶粒取向发生破坏，导致同样磁感下铁损的增加；对于变频电机还有考虑谐波带来的额外铁损；这是设计环节应综合考虑的因素。

除以上因素外，电机铁损的设计值应综合铁芯生产加工的实际，尽力做到理论值与实际值的契合。一般材料供应商提供的特性曲线按照爱泼斯坦方圈法测得，而电机中不同部位的磁化方向是不一样的，这种特殊的旋转铁耗当前是无法考虑到的。这不同程度上会导致计算值与实测值的不一致性。

工程设计上降低铁损耗的方法

工程上降低铁耗的方式有很多，最重要的就是对症下药。当然不仅是铁耗的问题，其它的损耗都是这样的。最根本的方式就是要知道铁耗大的原因，是磁密高还是频率大还是局部饱和过于严重等等的原因。当然了按照正常的方式是一方面要从仿真侧尽量的去逼近真实，另一方面工艺配合技术降低附加的铁耗。按照最常用的方式就是增加换用好的矽钢片，不计成本的话可以选择进口的超级矽钢。当然随着国内新能源驱动技术的发展也带动了上下游更好的发展。国内钢厂也有在推出专门的矽钢产品。谱系针对不同的应用场景有比较好的产品的分类。下面举几个遇到比较直接的方法：

1. 优化磁路 优化磁路，准确的说是优化磁场的正弦性。这一点是很关键的，不仅是定频的感应电机要做。变频的感应电机 同步电机都是至关重要的。我就曾经在做纺织机械行业的时候为了降成本做了两个性能不同的电机，当然最主要的是有无斜极，导致的气隙磁场的正弦性不一致。因为工作在高速工况，铁耗占比较大，这样两台电机的损耗相差就很大，最后经过一些列的倒推演算由于控制算法下电机的铁耗差了2倍多。这里也提醒大家再做变频调速电机的时候一定要耦合控制算法去做。
2. 减小磁密度增加铁芯的长度或者增加磁路的导磁面积以降低磁通密度，但电动机用铁量随之增加;
3. 减少铁芯片的厚度来减少感应电流的损失，如用冷轧矽钢片代替热轧矽钢片可减小矽钢片的厚度，但薄铁芯片会增加铁芯片数目和电机制造陈本;
4. 采用导磁性能良好的冷轧矽钢片降低磁滞损耗; (4) 采用高性能铁芯片绝缘涂层;
5. 热处理及制造技术

铁芯片加工后的剩余应力会严重影响电动机的损耗，矽钢片加工时，裁剪方向、冲剪应力对铁芯损耗的影响较大。顺着矽钢片的碾轧方向裁剪、并对矽钢冲片进行热处理，可降低10%～20%的损耗等方法来实现。

仿真应用技术相关

说到仿真其实如果大家有自成体系的计算仿真方法大可不必看下述的内容。因为这个铁耗的计算自己也做了大大小小的电机几百个，各种类型的电机十余种。之前在研究所和企业也都从事了一些相关性的工作。脱离了制造及材料本身的铁耗仿真都是不完整的，也一定不会计算准确的。所以现在大家最常用的套路还是经验的修正大法。现根据一轮的样机反推经验的修正，把经验系数赋予后面的计算仿真中。当然了这个根据实际的电机类型 电机种类 电机功率 变频与否 电机的材料等都有关系。之前在工厂的时候就曾去试着感化一位做实验的年轻小伙，你所从事的工作是公司的核心，你要担负大任，一定要仔仔细细一丝不茍。结果小伙做了2个月就转岗了。

言归正传，不写仿真整个体系又不是完整的，所以下面拿一个Prius2017 的案例来讲下maxwell一个新版本的功能吧。当然了他这个功能还在完善中，目前也不能解决问题，不过事情的终点是好的，还是值得期待的。整个功能的目标还是不错的，能够考虑矽钢片多次冲减对材料铁耗的影响。首先来讲矽钢片每一次的冲减切割都会照成损伤，包括电性能和机械性能。新功能增加了抽取等效切边深度的功能“Extract Equiv”功能。然后的话对于我们比较难的就是要输入裁剪后的B-P曲线。这个可能很多的公司没有方法去测试的。当然选择默认的也会得到一些差异性的结论。Maxwell官方说明也说了新功能缺少了不同切割次数所对应的B-P曲线，所以目前还没有办法抽取等效劣化深度的过程，后面会将此功能再进行完善。

当然了计算的过程的基础还是以有限元的计算，首先需要保证准确的有几个点，模型的准确性，定转子铁芯材料的准确性（材料的BH BP曲线的准确性），计算工况点的频率和BP频率的对应，网格数。核心的步骤：

1. 材料设定； Extract Equiv=1； Composition=Lamination 叠压方向设置为V（3），表示Z轴方向；

1. 剖分

选择绕组，磁钢，铁芯这些核心的对象，然后选择Edge Cut，将Layer Thickness改成0.5mm

上面只是说了铁耗的影响，其实这里不仅是铁耗，永磁同步电机的反电势以及电流等都会有一些变化。

结束

最后简单总结下，铁耗的的计算不同的电机类型所选用的方法和经验的修正是不一致的。传统的电机工艺的发展以及电机的制造水平已经可以满足电机制造的要求的时候，通过一些理论的修正和试验的数据相结合可以把铁耗计算的很准。但是在现在的低速 低压大功率，以及高速的电机铁耗的占比往往远大于其它的损耗，这个情景之下就要结合一些新的分析方法，控制策略+有限元以及铁芯不同位置的磁密的特性来具体的分析了，当然了能够分析准确的前提还是要能够获取铁芯材料的高频磁滞和涡流损耗的特性。所以，后面我会把控制算法下电机性能的仿真这个模块单独拿出来和大家再一起分享下，也希望各位能够持续的关注我们，提出您想了解和希望得到的一些电机行业的技术问题。

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