2021年两会，“碳达峰”、“碳中和”写入政府工作报告，我国力争在2030年前“碳达峰”，在2060年前实“碳中和”。电机在能源输出和消耗中有着重要的地位，电机系统用电量占我国工业用电量的2/3，约为全国用电量的60%，低损耗高效率的节能电机仍然是未来电机发展的主要方向^[1] 。国防军工、特殊工业、高端民用等领域对低噪声、低损耗、高效率、宽调速范围的高效电机的需求十分紧迫。

非晶态软磁材料的应用兴起于上个世纪70年代末，是一种新型软磁材料，非晶态原子排列短程有序，长程无序，大幅降低了材料的各向异性，在结构上有利于获得高的磁导率和较低的矫顽力^[2] 。在目前常用的非晶合金软磁材料中，铁基非合金与其他材料相比，其磁性更强（饱和磁感应强度达1.4-1.7T）、磁导率、激磁电流和铁损等软磁性能均优于传统硅钢，且价格便宜，节能效果显著^[2] 。华北电力大学孙哲，刘明基等人研究设计了一款采用组合型磁极与Halbach阵列相结合的方法优化设计了一台36000r/min、12kW的4极表贴式非晶合金高速永磁同步电机，采用1mm铝合金夹2mm硅钢的复合夹片将非晶合金定子分4段的结构，优化后电机的最高齿部温度由110℃降低到齿部96℃^{[3] [4]} 。沈阳工业大学朱龙飞等人用非晶合金铁心设计制造了一台2.1kW径向磁通非晶合金永磁电机和一台7kW轴向磁通非晶合金永磁电机，研究表明高频非晶合金永磁电机相比于传统硅钢片永磁电机，铁耗优势十分明显^{[5] [6]} 。沈阳工业大学吴胜男，唐任远等人针对非晶合金永磁电机电磁振动噪声相关问题进行研究，提出一种综合考虑电磁力、磁致伸缩效应和叠片压紧力的永磁电机电磁振动噪声数值计算方法，研究表明：磁通密度每增加0.2T，不同频率下叠压铁心噪声增加2.8-11.6%，卷绕铁心噪声增加2.3-13.8%，频率每增加200Hz，不同磁通密度下叠压铁心噪声增加1.6-33.3%^{[8] [9]} 。哈尔滨工业大学吴越虹，柴凤等人研究了非晶合金高速开关磁阻电机的电磁设计以及非晶合金高速开关磁阻电机的振动特性，研究表明：相比传统硅钢铁心的高速开关磁阻电机，非晶合金铁心电机能够降低铁损、提高效率，在额定工作点下，非晶合金方案铁心损耗仅为 B20AT1200硅钢方案铁心损耗的24.5%，非晶合金方案的效率比硅钢方案提高了4%，但是非晶合金电机的振动更为严重^[10] 。国外费米国家加速器实验室（费米拉布）克里斯·詹森和威斯康星大学麦迪逊分校托马斯·利波等人早期就非晶合金永磁无刷直流电机做了相关研究，提出了一种轴场永磁无刷直流电机，在额定转速下，非晶合金永磁无刷电机铁芯损耗仅为输出功率的6%^{[10] [11]} 。

非晶合金能够显著的降低损耗，但是目前大多数研究集中于高频高速领域^[12] ，对于中低频领域的研究相对较为匮乏。因此本文对中低频非晶合金永磁电机进行相关研究，旨在进一步扩大非晶合金应用领域，助力高性能高效电机发展。本文首先根据传统电机设计方法进行相关设计，然后将电机定子材料有普通硅钢20WTG1500替换为铁基非晶合金材料1K101，对两个同结构定子材料不同的电机模型进行仿真分析，研究表明非晶合金电机能够显著的降低电机铁心损耗，但是电机定子铜耗有所上升，要想非晶合金在中低频领域得到应用，解决非晶合金电机铜耗问题是一个十分重要的问题。因此根据新材料特性，对电机定子铜耗进行解析计算，分析影响电机定子铜耗产生的机理，对电机结构进行优化调整，最后对优化前后的电机模型进行仿真对比分析。研究表明通过铜耗优化，同结构电机，非晶合金电机与传统硅钢电机铜耗相近的情况下，其铁耗仅为传统硅钢电机的10%，电机效率可达98.14%，电机效率得到了有效的提升。本文研究从电机本体设计的根本上降低新材料增加的电机定子铜耗，有效的提升了电机效率，也为后续非晶合金电机的应用与研究提供一定的参考。

详细内容请查看附件