基于SMC材料和Halbach磁路的電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

黃平林,施慧明

(1.江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013；2.騰達(dá)電動科技鎮(zhèn)江有限公司，鎮(zhèn)江 212013)

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基于SMC材料和Halbach磁路的電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

黃平林1,施慧明2

(1.江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013；2.騰達(dá)電動科技鎮(zhèn)江有限公司，鎮(zhèn)江 212013)

開發(fā)了一款基于軟磁復(fù)合材料(SMC)的電動機(jī)，為減小高頻時(shí)的鐵心損耗，電機(jī)的定子鐵心采用軟磁復(fù)合材料一次加工成型，轉(zhuǎn)子采用Halbach磁路結(jié)構(gòu)，通過有限元分析，對轉(zhuǎn)子磁軛厚度進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)子的輕量化設(shè)計(jì)。經(jīng)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，該電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)值吻合良好。

軟磁復(fù)合材料;Halbach陣列;電磁設(shè)計(jì);有限元分析

0 引 言

當(dāng)電動機(jī)由于轉(zhuǎn)速較高或極對數(shù)較多時(shí)，電機(jī)內(nèi)部磁場變化頻率也高，從而導(dǎo)致電機(jī)的鐵心損耗增加，電機(jī)的效率下降[1]。在設(shè)計(jì)高速電機(jī)時(shí)，為盡量減小鐵損，可以將電機(jī)的極對數(shù)設(shè)計(jì)得比較少，這樣磁場的頻率相對多對極時(shí)要低，但極數(shù)太少時(shí)同等功率的電機(jī)繞組端部變長，電機(jī)的積增大，使電機(jī)功率密度變低。對高轉(zhuǎn)速電機(jī)，如何進(jìn)一步提高其功率密度，是一個(gè)值得探討的問題。文獻(xiàn)[2]中論及可采用無鐵心電機(jī)結(jié)構(gòu)，電機(jī)的定子繞組為空心線圈，工藝上采用環(huán)氧澆注或PCB定子等，無鐵心電機(jī)沒有鐵心，徹底消除了鐵損，理論上可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效率和高功率密度。但事實(shí)上，因?yàn)殡姍C(jī)沒有鐵心，定子線圈完全暴露于轉(zhuǎn)子的永久磁場中，高速情況下，轉(zhuǎn)子的永久磁場高頻切割定子線圈，在定子線圈中產(chǎn)生較大的電渦流損耗，使電機(jī)銅耗增加，嚴(yán)重影響電機(jī)效率的提高。

針對上述問題，采用高頻損耗小的鐵心材料和優(yōu)化電機(jī)磁場將是一個(gè)較好的解決途徑。軟磁復(fù)合材料(以下簡稱SMC)就是這樣一種具有良好的導(dǎo)磁性能而且在高頻條件下鐵損遠(yuǎn)小于硅鋼片的電磁材料。軟磁復(fù)合材料通過在鐵磁顆粒表面包覆電絕緣層，再通過粉末冶金工藝制備成電磁應(yīng)用材料，可用于制作電機(jī)鐵心。與傳統(tǒng)的硅鋼片疊壓鐵心相比，采用軟磁復(fù)合材料制備電機(jī)鐵心時(shí)，能獲得一系列獨(dú)特的性能，主要表現(xiàn)為磁性能的三維各向同性以及低渦流損耗和高頻低損耗等，非常適合作為高速高頻電機(jī)的鐵心材料，而且使電機(jī)鐵心的設(shè)計(jì)變得更加靈活，使高速電機(jī)在獲得高效率的同時(shí)還能大幅降低電機(jī)的重量和體積，應(yīng)用前景廣闊[3-4]。

為進(jìn)一步優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高速電機(jī)的高功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，本文在設(shè)計(jì)永磁轉(zhuǎn)子時(shí)，采用了Halbach磁路陣列，以獲得更高的永磁體利用率和更為輕量化的電機(jī)轉(zhuǎn)子，文中還專門對Halbach陣列的軛部進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電磁性能和機(jī)械性能的最佳結(jié)合。通過理論分析和樣機(jī)加工，對以上設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了驗(yàn)證，并成功地將此款電機(jī)應(yīng)用于電動工具中。

1 電機(jī)電磁設(shè)計(jì)研究

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

本文開發(fā)的高速電機(jī)采用了徑向磁路的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子鐵心采用軟磁復(fù)合材料一次加工成型，為減輕轉(zhuǎn)子重量和有效利用磁場，轉(zhuǎn)子采用Halbach磁路結(jié)構(gòu)，僅用很薄的一層鐵圈構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁軛。電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示,電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

表1 電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 SMC定子鐵心設(shè)計(jì)與優(yōu)化

SMC材料應(yīng)用于電機(jī)中，與傳統(tǒng)的疊片鋼磁心相比，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在良好的各向同性、渦流損耗小、可整體成型、材料無損耗等方面，但SMC材料也存在明顯缺點(diǎn)，如磁導(dǎo)率比硅鋼片小、磁滯損耗大等。因此，在設(shè)計(jì)SMC電機(jī)時(shí)，需要綜合考慮SMC材料的特性，揚(yáng)長避短，使材料的性能得到更好的發(fā)揮。在高速電機(jī)中，電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的頻率比較高，若采用硅鋼片鐵心，鐵心損耗特性可描述為下式[5]：

式中右邊的三項(xiàng)依次對應(yīng)磁滯損耗、渦流損耗和異常損耗。

由式1可知，磁滯損耗隨頻率線性增加、渦流損耗隨頻率的平方線性增加，因此隨著頻率的增加渦流損耗在總損耗中的比重會迅速增加。為減小鐵心損耗，在高頻場合，考慮使用渦流損耗小的SMC材料是可行的。同時(shí)，考慮到SMC材料的磁滯損耗大于硅鋼材料，根據(jù)式(1)，在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)可適當(dāng)減小磁場強(qiáng)度，使磁滯損耗控制在合理的范圍。

本文中采用赫格納斯公司的生產(chǎn)的Somaloy 500軟磁復(fù)合鐵粉材料制作電機(jī)的鐵心，利用其塊狀原料直接整體加工而成。原料和加工成型后的定子鐵心如圖2所示。

圖2 SMC原料及加工后的定子鐵心

在樣機(jī)加工過程中，為節(jié)省成本，鐵心的制作沒有采用SMC粉末壓鑄的工藝，而是利用材料廠商提供的SMC塊料機(jī)械加工而成，因而加工過程中需要對加工的工藝進(jìn)行嚴(yán)格的控制，如進(jìn)行切削、車磨加工時(shí)，刀頭的轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀速度、冷卻方式等都需要按照廠商的要求進(jìn)行，否則會對材料的電磁性能產(chǎn)生影響。此外，塊狀的SMC材料機(jī)械加工性能較普通金屬材料差，不當(dāng)?shù)募庸し绞綄⒑茈y保證其加工精度。

考慮到SMC材料的三維各向同性，在對電機(jī)定子鐵心進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，鐵心齒面還可設(shè)計(jì)成圓形或橢圓形，這樣更方便加工，而且對繞線也有利，可避免鐵心齒部邊緣破壞漆包線的絕緣，并可獲得更高的槽滿率，進(jìn)一步提高電機(jī)的功率密度。

1.3 Halbach陣列轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

Halbach陣列[6]是美國學(xué)者M(jìn)allinson 在1973 年對永磁體進(jìn)行拼裝實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種奇特的永磁體結(jié)構(gòu),將不同充磁方式的永磁體按照特定的規(guī)律排列，可使永磁體一側(cè)的磁場增強(qiáng)，而另一側(cè)的磁場減弱[7-9]，同時(shí)使氣隙磁場得到優(yōu)化，使之更接近正弦形。

Halbach陣列是使永磁體的磁化矢量方向沿著排列方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，每兩個(gè)相鄰磁化矢量存在90°、60°或者45°的夾角，對應(yīng)的每極永磁體塊數(shù)分別為2 塊、3 塊和4塊。圖3即為兩個(gè)相鄰磁化矢量夾角為90°時(shí)的Halbach陣列排布圖，每個(gè)磁極由兩塊磁體組成。Halbach陣列的磁場強(qiáng)度:

圖3 Halbach陣列

式中:Bm0是磁場的幅值;Br是永磁體的剩磁強(qiáng)度;β=2π/la;la是一對極的空間距離;nM是一對極包含的永磁體塊數(shù);hM是永磁體的厚度。理論上，永磁體塊數(shù)越多，Halbach陣列產(chǎn)生的磁密波形正弦性越好，但會帶來永磁體的安裝和充磁的難度增加。

本文中，采用的Halbach 陣列每極由2 塊永磁體拼裝而成，結(jié)構(gòu)簡單，永磁體安裝定位和充磁容易，轉(zhuǎn)子磁路布置如圖4所示。共采用20片永磁體，磁體厚度為3 mm，充磁方向互差90°，每4片構(gòu)成一對磁極，組成一個(gè)5對極的永磁轉(zhuǎn)子。利用式(2),計(jì)算得到磁場強(qiáng)度幅值為0.6 T。

圖4 Halbach永磁轉(zhuǎn)子

2 有限元分析

采用有限元軟件，對上述電機(jī)模型進(jìn)行有限元分析。分析過程中，SMC材料的磁化特性曲線直接引用了廠商提供的數(shù)據(jù)，如圖5所示Somaloy 500 1P對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖5 SMC磁化曲線

考慮到Halbach磁路的特點(diǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)子可以無需鐵軛，經(jīng)有限元分析，得到無轉(zhuǎn)子磁軛時(shí)空載條件下電機(jī)內(nèi)部的磁場分布如圖6(a)所示，電機(jī)氣隙磁密沿圓周方向分布的波形如圖6(b)所示，氣隙磁場幅值在0.59 T和0.63 T之間，與通過式2計(jì)算得到的理論值0.6 T比較接近。由于轉(zhuǎn)子永磁體沒有磁軛，在磁體背面附近的空氣中局部存在0.2 T大小的漏磁，這是Halbach陣列磁場減弱的一側(cè)存在的漏磁場。

(a)內(nèi)部磁密分布(b)氣隙磁密波形

圖6 無鐵軛時(shí)電機(jī)磁場分布

當(dāng)轉(zhuǎn)子無磁軛時(shí)，永磁體陣列需要通過非導(dǎo)磁材料進(jìn)行固定和安裝，實(shí)施難度較大。此時(shí)，可考慮適當(dāng)給Halbach磁陣列增加磁軛，起到對Halbach陣列一側(cè)的漏磁場進(jìn)行磁屏蔽的功能，同時(shí)鐵軛還可方便磁體的安裝和緊固，起到增強(qiáng)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度的作用。對于采用Halbach陣列的永磁轉(zhuǎn)子，磁陣列背面的磁場已大幅度減弱，軛部不容易產(chǎn)生磁飽和，所以軛鐵的長度不需要很大，在滿足磁路需求的情況下，軛鐵越薄電機(jī)重量會越輕?；谶@一準(zhǔn)則，采用有限元分析，可對鐵軛的長度進(jìn)行優(yōu)化，本電機(jī)中，當(dāng)軛鐵厚度為2 mm時(shí)，獲得最佳的機(jī)械和電磁效果。

圖7是增加2 mm軛鐵后電機(jī)內(nèi)部磁場分布情況和電機(jī)氣隙磁密沿圓周方向分布的波形?？梢姡捎谠黾恿塑楄F，Halbach陣列有效面的磁場進(jìn)一步增強(qiáng)，磁場強(qiáng)度達(dá)到0.8 T左右，軛鐵中磁場強(qiáng)度為1.5 T,在合理范圍，軛鐵外部的空氣中已沒有漏磁。

(a)內(nèi)部磁場分布(b)沿圓周方向磁密分布

圖7 增加鐵軛后的電機(jī)磁場分布

3 樣機(jī)測試

最終加工成的電機(jī)樣機(jī)及其測試系統(tǒng)如圖8所示。采用永磁無刷的控制方式對電機(jī)性能進(jìn)行測試，空載條件下電機(jī)的端電壓和相電流波形如圖9所示。由于控制器采用三相六拍電壓型脈寬調(diào)制輸出，故圖9(a)電機(jī)端電壓為PWM波形，圖9(b)電流波形中電流換向十分明顯。采用磁滯測功機(jī)，對電機(jī)進(jìn)行加載試驗(yàn)，測得電機(jī)的性能曲線如圖10所示，電機(jī)額定效率超過80%，較好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

(a)樣機(jī)實(shí)物(b)測試系統(tǒng)

圖8 電機(jī)樣機(jī)及測試系統(tǒng)

(a)端電壓波形(b)相電流波形

圖9 電機(jī)空載端電壓和相電流波形(截圖)

圖10 實(shí)測電機(jī)性能曲線

4 結(jié) 語

(1)對SMC材料應(yīng)用于電機(jī)時(shí)的特性進(jìn)行了簡要分析，并采用SMC材料設(shè)計(jì)并加工了一臺高速電機(jī)的定子，表明應(yīng)用SMC材料整體加工電機(jī)鐵心是可行的。

(2)采用Halbach磁陣列，設(shè)計(jì)了電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，對電機(jī)磁路進(jìn)行了理論計(jì)算和分析。

(3)采用有限元方法，對樣機(jī)磁路進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，同時(shí)提出了對Halbach陣列增加少量鐵軛的方法，起到增強(qiáng)有效磁場、屏蔽漏磁，并方便磁陣列安裝的多重功效。

(4)對樣機(jī)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果良好，驗(yàn)證了以上結(jié)論的正確性，對此類電機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

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Research and Optimization of Motor Based on SMC Materials and Halbach Array

HUANGPing-lin1,SHIHui-ming2

(1.Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China； 2.TENDA Electric Drive Technology Co.,Ltd.,Zhenjiang 212013,China)

In this paper an electrical machine was developed，the stator of the motor was manufactured with soft magnetic composite (SMC) materials in order to reduce the losses of iron at high frequency, and the PM rotor had Halbach array.By finite element analysis the thickness of the yoke was optimized, these made the motor lighter.And finally the motor was manufactured and the experimental test was conducted．The test results supporting conclusions from analysis were given．

soft magnetic composites; Halbach array; electromagnetic design; finite element analysis

2016-03-03

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20141290)；江蘇大學(xué)高級人才科研啟動基金項(xiàng)目(15JDG090)

TM351

A

1004-7018(2016)09-0011-04

黃平林(1976-),男，博士，高級工程師，從事機(jī)電控制技術(shù)以及特種電機(jī)設(shè)計(jì)的研究。