軟磁復(fù)合材料及其在永磁無(wú)刷電機(jī)中的應(yīng)用

徐衍亮 王冰冰 高啟龍 張?jiān)?/p>

摘 要：為了研究軟磁復(fù)合材料（SMC）在永磁無(wú)刷電機(jī)中的應(yīng)用，對(duì)疊壓硅鋼電機(jī)、SMC三維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)、SMC二維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)針對(duì)基于SMC的三維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)難以采用通用的商用軟件進(jìn)行初始設(shè)計(jì)的問(wèn)題，提出一種二維磁路等效設(shè)計(jì)方法。首先對(duì)SMC試塊及50TW600疊壓硅鋼試塊進(jìn)行了磁化特性及鐵耗的對(duì)比性能測(cè)試，其次，基于試塊測(cè)試結(jié)果，對(duì)三種電機(jī)進(jìn)行了對(duì)比研究，接著，鑒于SMC三維磁路電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，對(duì)其與SMC二維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的等效性進(jìn)行研究，以方便SMC三維磁路電機(jī)的初始分析設(shè)計(jì)，最后，對(duì)SMC三維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行了樣機(jī)試制和實(shí)驗(yàn)，證明了SMC三維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的可行性。

關(guān)鍵詞：軟磁復(fù)合材料；永磁無(wú)刷電機(jī)；鐵磁特性；三維結(jié)構(gòu)；等效設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 351

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2018）04-0075-06

Abstract：In order to investigate the application of soft magnetic composite （SMC） material in permanent magnet brushless motor （PMBM）， a comparative research on the laminated silicon-steel motor， the three-dimensional （3D） magnetic-circuit SMC motor and the 2D magnetic-circuit SMC motor was carried out. Moreover， taking into account of the fact that it is difficult to make initial design on the SMC-3D motor by utilizing commercially used software， a 2D equivalent magnetic circuit design method was proposed. Firstly， a comparative performance test in terms of magnetization and iron loss characteristics with regard to SMC and 50TW600 laminated silicon-steel testing block were carried out. Then， based on the testing results， a comparative research on the three motors was performed. To implement the initial design and analysis of the SMC-3D motor， a study on the equivalence between SMC-2D and SMC- 3D motor was also conducted. At last， a prototype of the SMC-3D PMBM was manufactured and experimented， and experimental results verify the feasibility of SMC-3D motor.

Keywords：soft magnetic composite（SMC） material； permanent magnet brushless motor （PMBM）； ferromagnetic property；three-dimensional （3D） magnetic-circuit； equivalent design

0 引 言

作為一種電機(jī)用新型導(dǎo)磁材料，軟磁復(fù)合材料（soft magnetic composite，SMC）與常用的疊壓硅鋼材料相比，具有磁及熱的各向同性、高頻渦流損耗低、材料利用率近100%、鐵心疊壓系數(shù)近1及尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，但也有導(dǎo)磁率較低、磁滯損耗大等明顯的缺點(diǎn)[1-2]。如何充分利用SMC的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)其缺點(diǎn)，成為該種材料在電機(jī)中的研究熱點(diǎn)。其較低導(dǎo)磁率的缺陷，盡管其有應(yīng)用于電樞激勵(lì)電機(jī)如感應(yīng)電機(jī)和磁阻電機(jī)的研究文獻(xiàn)報(bào)道[3-4]，但無(wú)疑會(huì)在這些電機(jī)中產(chǎn)生較大的激磁電流，SMC的這一缺陷在磁極激勵(lì)電機(jī)如直流或交流換向器電機(jī)及同步電機(jī)中并不敏感，特別是在永磁電機(jī)中更可忽略不計(jì)[2]，因此SMC的研究主要集中于永磁電機(jī)中，包括永磁有刷直流電機(jī)[5]、永磁無(wú)刷電機(jī)，特別是后者更是研究的重中之重，所開(kāi)發(fā)的SMC電機(jī)產(chǎn)品也主要是永磁無(wú)刷電機(jī)。如韓國(guó)舉辦的The 2006 Power Metallurgy World Congress and Exhibition中展示的壓縮機(jī)用永磁無(wú)刷電機(jī)，采用SMC材料，在相同性能下，電機(jī)的長(zhǎng)度縮短30%，用銅量少用30%；YASA Motor 采用SMC材料開(kāi)發(fā)的無(wú)軛分塊電樞（Yokeless And Segmented Armature）永磁無(wú)刷電機(jī)YASA 750R，應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)，具有1.89 kW/kg的額定功率密度、10.81 Nm/kg的連續(xù)轉(zhuǎn)矩密度。

在一些SMC電機(jī)的研究中，沒(méi)有利用其各向同性的磁特性而只利用了其高頻渦流損耗低的特性[6]，但眾多文獻(xiàn)針對(duì)SMC電機(jī)的研究，充分利用了SMC各向同性磁特性，首先將該種材料應(yīng)用于目前存在的具有三維磁路結(jié)構(gòu)的電機(jī)中，如軸向磁場(chǎng)盤(pán)式電機(jī)[7]、混合步進(jìn)電機(jī)[8]、爪極電機(jī)[9]、圓筒形直線(xiàn)電機(jī)[10]和橫向磁通電機(jī)[11]中，其次，將普通電機(jī)設(shè)計(jì)成三維磁路電機(jī)，即鐵心齒身的軸向長(zhǎng)度小于齒頂?shù)妮S向長(zhǎng)度[12]。

本文首先對(duì)某公司生產(chǎn)的SMC材料與疊壓硅鋼材料進(jìn)行性能測(cè)試對(duì)比研究，然后基于一臺(tái)三相12槽/10極永磁無(wú)刷電機(jī)，對(duì)比研究疊壓硅鋼電機(jī)、SMC三維磁路電機(jī)、SMC二維磁路電機(jī)的相永磁電動(dòng)勢(shì)的差異及其原因，最后針對(duì)目前SMC三維磁路電機(jī)難以采用通用的基于磁路分析的商用軟件進(jìn)行初始設(shè)計(jì)的境況，提出其等效設(shè)計(jì)方法，基于該方法，可以把SMC三維磁路電機(jī)等效為通常的二維磁路，借用現(xiàn)有的商用軟件進(jìn)行初始分析與設(shè)計(jì)。最后對(duì)SMC三維磁路電機(jī)進(jìn)行了樣機(jī)的試制和實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果。

1 SMC材料與疊壓硅鋼材料鐵磁性能測(cè)試比較

圖1為采用某公司生產(chǎn)的SMC材料壓制而成的圓環(huán)形試塊，該試塊外徑40 mm、內(nèi)徑32 mm、厚度8 mm，采用太鋼50TW600疊壓硅鋼片沖制了相同尺寸的試塊，對(duì)兩試塊分別進(jìn)行50 Hz、400 Hz、1 000 Hz交變頻率下磁化特性及鐵耗特性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出：

1）交變頻率對(duì)磁化性能的影響

交變頻率對(duì)SMC材料的磁化性能影響較小，這顯然對(duì)變頻SMC電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)提供了方便；疊壓硅鋼材料的導(dǎo)磁性能隨頻率的升高而降低，但在磁密增大到一定程度時(shí)（大于1.6T），硅鋼材料趨于飽和，此時(shí)交變頻率對(duì)導(dǎo)磁性能的影響較小。

2）磁密對(duì)磁化性能的影響

磁密對(duì)SMC材料的磁化性能影響較小，在磁密增加時(shí)，SMC的磁化性能稍有降低；磁密對(duì)疊壓硅鋼材料的影響很大，隨磁密的升高，疊壓硅鋼材料導(dǎo)磁率降低很快，在低頻時(shí)尤其如此。

無(wú)論何種頻率，在磁密大于1.6T時(shí)，SMC的導(dǎo)磁性能開(kāi)始優(yōu)于疊壓硅鋼材料。磁密越高，優(yōu)勢(shì)越明顯?？梢钥闯?，從導(dǎo)磁角度，SMC適宜于高鐵心磁密場(chǎng)合，以增加對(duì)疊壓硅鋼材料的優(yōu)勢(shì)。

3）磁密和頻率對(duì)鐵耗的影響

疊壓硅鋼材料的鐵耗近似與磁密的2次方成正比，SMC的鐵耗近似與磁密的1次方成正比，實(shí)際上，無(wú)論SMC材料還是疊壓硅鋼材料，磁滯損耗都與頻率的1次方成正比，渦流損耗都與頻率的2次方成正比，因此與疊壓硅鋼材料相比，在頻率變化時(shí)，磁滯損耗對(duì)SMC鐵耗的影響更大；在低頻時(shí)，SMC材料的鐵耗高于疊壓硅鋼材料，但在400 Hz左右時(shí)，SMC材料的鐵耗已低于疊壓硅鋼材料，頻率越高，SMC的鐵耗優(yōu)勢(shì)越明顯。

總之，SMC鐵心更適合于高頻和高磁密狀態(tài)；在常規(guī)電機(jī)鐵心頻率和磁密下，SMC材料無(wú)論磁化特性還是鐵耗特性都低于疊壓硅鋼材料，因此，應(yīng)利用SMC的各向同性磁特性，將SMC材料應(yīng)用于本質(zhì)上具有三維磁路結(jié)構(gòu)的電機(jī)中，如橫向磁通電機(jī)、混合步進(jìn)電機(jī)、圓筒形直線(xiàn)電機(jī)等，或?qū)⑵胀姍C(jī)設(shè)計(jì)成三維磁路結(jié)構(gòu)（見(jiàn)下一部分），同時(shí)應(yīng)盡可能減少SMC鐵心磁路長(zhǎng)度和SMC鐵心體積，以降低SMC材料磁化特性和鐵耗特性差帶來(lái)的影響。實(shí)際上，在常規(guī)電機(jī)鐵心頻率和磁密下，可以組合采用SMC材料和疊壓硅鋼材料，只利用SMC材料實(shí)現(xiàn)電機(jī)的三維磁路結(jié)構(gòu)，但電機(jī)的主要鐵心磁路仍由疊壓硅鋼材料構(gòu)成。

2 SMC電機(jī)與疊壓硅鋼電機(jī)的對(duì)比研究

各向磁同性是SMC材料的主要優(yōu)越特性之一，對(duì)通常的永磁無(wú)刷電機(jī)，可以利用SMC材料的這一特性，使電機(jī)具有三維磁路結(jié)構(gòu)，即電機(jī)定子齒頂?shù)妮S向長(zhǎng)度大于齒身的軸向長(zhǎng)度，如圖3（c）所示。下面比較研究基于圖2所給出的SMC材料和疊壓硅鋼材料的永磁無(wú)刷電機(jī)。將SMC電機(jī)分成SMC三維磁路結(jié)構(gòu)和SMC二維磁路結(jié)構(gòu)兩種電機(jī)并同時(shí)與疊壓硅鋼電機(jī)相比較。因此相比較的三種電機(jī)包括：疊壓硅鋼電機(jī)、SMC二維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)和SMC三維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)，三種電機(jī)以3相10極12槽永磁無(wú)刷電機(jī)為例進(jìn)行比較，除定子鐵心材料、定子齒身軸向長(zhǎng)度不同外（分別如圖3所示），其他完全相同。三種電機(jī)的其他主要參數(shù)如表1所示，轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置“一”字形磁體結(jié)構(gòu)。

采用三維電磁場(chǎng)有限元方法計(jì)算了三種電機(jī)在4 800 r/min（相當(dāng)于400 Hz交變頻率）時(shí)空載運(yùn)行狀態(tài)，包括永磁相電動(dòng)勢(shì)值以及在永磁體與定子齒對(duì)齊時(shí)定子齒各部分的磁通大小，計(jì)算結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，在SMC三維磁路電機(jī)齒身軸向長(zhǎng)度比疊壓硅鋼電機(jī)降低25.8%（意味著SMC三維磁路電機(jī)整體軸向長(zhǎng)度縮短25.8%，用銅量及定子繞組銅耗也大幅降低）時(shí)，其永磁相電動(dòng)勢(shì)只比疊壓硅鋼電機(jī)降低了16.9%，而相同結(jié)構(gòu)尺寸的SMC二維磁路電機(jī)和疊壓硅鋼電機(jī)，前者的永磁相電動(dòng)勢(shì)相對(duì)于后者降低了10.4%。這說(shuō)明，在SMC材料應(yīng)用于常規(guī)電機(jī)時(shí)，只有采用三維磁路結(jié)構(gòu)，才可能比疊壓硅鋼電機(jī)具有優(yōu)勢(shì)。

由表2還可以看出，三種電機(jī)定子齒氣隙處磁通量之間的差異程度遠(yuǎn)低于定子齒齒身處磁通量之間的差異程度，是每齒齒身處磁通量而非每齒氣隙處磁通量決定了電機(jī)相反電動(dòng)勢(shì)的大小。圖4和圖5給出了三種電機(jī)定子齒氣隙處和齒身處磁密沿軸向長(zhǎng)度的變化關(guān)系，可以看出，（1）對(duì)定子齒氣隙處磁密，疊壓硅鋼電機(jī)稍高，其他兩種電機(jī)稍低，但三種電機(jī)定子齒氣隙處的磁密沿軸向均勻分布；（2）三種電機(jī)定子齒身處磁密沿軸向的分布差異較大，疊壓硅鋼電機(jī)及SMC二維磁路電機(jī)的磁密分布均勻，SMC三維磁路電機(jī)的齒身磁密沿軸向不均勻分布，在電機(jī)軸向中間部分磁密較低，靠近兩端磁密增大，在進(jìn)行SMC三維磁路電機(jī)電磁設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮這一磁密的不均勻。

圖6為三種電機(jī)的永磁相電動(dòng)勢(shì)波形圖，可以看出，SMC電機(jī)的齒諧波電動(dòng)勢(shì)明顯低于疊壓硅鋼電機(jī)，而且SMC三維磁路電機(jī)波形正弦性也優(yōu)于疊壓硅鋼電機(jī)，可以推得SMC電機(jī)在負(fù)載時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也會(huì)低于疊壓硅鋼電機(jī)。顯然，SMC電機(jī)具有低的齒諧波電動(dòng)勢(shì)源于其材料導(dǎo)磁率較低，SMC三維磁路電機(jī)相電動(dòng)勢(shì)的良好波形正弦性源于其繞組端部對(duì)電動(dòng)勢(shì)的貢獻(xiàn)。

3 SMC三維磁路電機(jī)的二維設(shè)計(jì)研究

由上述分析可以看出，基于SMC材料的鐵磁性能，在應(yīng)用于常規(guī)永磁無(wú)刷電機(jī)時(shí)，必須采用三維磁路結(jié)構(gòu)才有可能比疊壓硅鋼電機(jī)具有優(yōu)勢(shì)。目前為止，SMC三維磁路電機(jī)只能采用三維電磁場(chǎng)的有限元方法進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)，而沒(méi)有現(xiàn)成的基于磁路分析的商用軟件，這顯然不利于該種電機(jī)的初始設(shè)計(jì)。為此需要探討該種電機(jī)基于二維磁路的設(shè)計(jì)方法，并采用現(xiàn)有基于磁路分析的商用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

SMC三維磁路電機(jī)的主要特點(diǎn)是齒身長(zhǎng)度與齒頂長(zhǎng)度不相同，為將SMC三維磁路電機(jī)變?yōu)榈刃У亩S磁路電機(jī)，在保持齒身面積不變的前提下，縮小齒身寬度，將齒身軸向長(zhǎng)度變?yōu)榕c原三維磁路電機(jī)齒頂軸向長(zhǎng)度相等。上述SMC三維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)，齒頂和齒身的軸向長(zhǎng)度分別為62 mm、46 mm，齒身的寬度為10 mm，保持齒身面積不變時(shí)，將齒身軸向長(zhǎng)度也變?yōu)?2 mm，則齒身寬度變?yōu)?.42 mm。這樣原有的三維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)變?yōu)橐粋€(gè)可以采用商用電機(jī)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的二維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)。采用三維電磁場(chǎng)有限元方法，分別計(jì)算原SMC三維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)及其等效二維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的永磁相電動(dòng)勢(shì)波形，如圖7所示，可以看出，兩者相電動(dòng)勢(shì)波形符合很好，說(shuō)明這一等效的正確性，即在進(jìn)行SMC三維磁路電機(jī)電磁設(shè)計(jì)時(shí)，可以首先將該電機(jī)等效為二維磁路電機(jī)，采用現(xiàn)有的商用永磁無(wú)刷電機(jī)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行初始設(shè)計(jì)，最后采用三維電磁場(chǎng)的有限元方法進(jìn)行校正。值得注意的是，在采用現(xiàn)有商用軟件進(jìn)行SMC等效二維磁路電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮槽滿(mǎn)率的計(jì)算差異。

4 樣機(jī)試制及試驗(yàn)

樣機(jī)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與前述計(jì)算樣機(jī)相同，樣機(jī)電機(jī)實(shí)際氣隙調(diào)整為0.4 mm，并通過(guò)調(diào)整繞組串聯(lián)匝數(shù)使電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速降低為1 000 r/min。在樣機(jī)試制過(guò)程中，采用模塊化SMC定子鐵心結(jié)構(gòu)，將電機(jī)的三維定子鐵心分成相同的12塊，然后組合在一起，這樣有利于SMC鐵心的模壓，同時(shí)有利于繞組線(xiàn)圈的嵌放，縮小繞組端部長(zhǎng)度。圖8給出整體樣機(jī)及相關(guān)配件的實(shí)物圖。

在1 000 r/min時(shí)，測(cè)得樣機(jī)電機(jī)的永磁相電動(dòng)勢(shì)波形如圖9所示，可以看出樣機(jī)電機(jī)具有良好的電動(dòng)勢(shì)波形正弦性。圖10為樣機(jī)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下效率隨輸出功率的變化曲線(xiàn)，可以看出，盡管在圖示所述的工作頻率下，SMC鐵心的鐵耗要高于硅鋼材料，但是由于電機(jī)利用了SMC材料的各向同性磁特性而使電機(jī)具有三維磁路結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用了模塊化SMC鐵心結(jié)構(gòu)，使繞組端部很小，因此電機(jī)的運(yùn)行效率較高。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)SMC試塊及疊壓硅鋼試塊進(jìn)行了鐵磁性能的對(duì)比測(cè)試，基于試塊測(cè)試結(jié)果，對(duì)疊壓硅鋼電機(jī)、SMC三維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)、SMC二維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行了對(duì)比研究，同時(shí)對(duì)SMC三維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的等效設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，最后對(duì)SMC三維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行了樣機(jī)試制及實(shí)驗(yàn)，得到了以下主要結(jié)論：

1）與疊壓硅鋼材料相比，SMC材料適于高頻及高磁密場(chǎng)合；在常規(guī)交變頻率及磁密時(shí)，采用SMC材料，應(yīng)將其應(yīng)用于本質(zhì)上是三維磁路的電機(jī)，或?qū)⒊Ｒ?guī)的電機(jī)設(shè)計(jì)成三維磁路結(jié)構(gòu)，同時(shí)應(yīng)盡可能降低SMC鐵心磁路長(zhǎng)度和SMC鐵心體積，將SMC材料與疊壓硅鋼材料組合使用是降低SMC鐵心磁路長(zhǎng)度和SMC鐵心體積的有效方法。

2）常規(guī)的永磁無(wú)刷電機(jī)在采用SMC材料進(jìn)行三維磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將該電機(jī)等效成通常的二維磁路電機(jī)，從而可以采用基于磁路的商用電磁設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行電機(jī)的初始設(shè)計(jì)，避免了三維磁路電機(jī)基于三維電磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。

3）對(duì)SMC三維磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行了樣機(jī)試制和實(shí)驗(yàn)，由于SMC電機(jī)三維磁路結(jié)構(gòu)及模塊化鐵心結(jié)構(gòu)的采用，盡管SMC電機(jī)工作于鐵耗高于硅鋼電機(jī)的工作頻率范圍，樣機(jī)電機(jī)仍具有較高的運(yùn)行效率。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：劉素菊）