SMC軟磁復(fù)合材料永磁同步電機(jī)性能研究

孔德財(cái) 趙國(guó)新

【摘 要】 SMC軟磁復(fù)合材料由于其特殊性能，目前在高速電機(jī)中有著廣泛應(yīng)用前景。通過研究了定子材料分別為SMC和DW470的18槽16極永磁同步電機(jī)在不同頻率下的的鐵耗，比較兩種材料電機(jī)的鐵耗情況。進(jìn)一步分析了兩種材料電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)、氣隙磁密、和齒槽轉(zhuǎn)矩等情況，總結(jié)SMC材料電機(jī)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。通過比較發(fā)現(xiàn)，在低轉(zhuǎn)速下，DW470電機(jī)鐵耗較小，在高轉(zhuǎn)速下，SMC電機(jī)鐵耗較小，并隨著頻率進(jìn)一步增大，SMC電機(jī)鐵耗增加值明顯小于DW470電機(jī)，在高轉(zhuǎn)速下更有優(yōu)勢(shì)。SMC永磁同步電機(jī)氣隙磁密較小，幅值為1.1093T。在相同頻率下，SMC電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)較小。

【關(guān)鍵詞】 軟磁復(fù)合材料 有限元法 鐵耗 正交分解法 空載鐵耗 變系數(shù)

一 引言

SMC材料由于鐵粉顆粒有絕緣層，能有效的阻止渦流電流，所以渦流損耗很小。在高頻渦流損耗占據(jù)總損耗很大比重，由于絕緣層降低了渦流損耗，所以渦流損耗的減小對(duì)高轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)總鐵耗的降低具有總要意義[1][2]。并且SMC材料也有一些其他優(yōu)勢(shì)，如熱各向同性、電阻率更高等優(yōu)點(diǎn)。但是SMC材料也有一些不可避免的缺點(diǎn)，如磁滯損耗高、磁導(dǎo)率低、易碎等。因此要充分發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，避免它的劣勢(shì)。

電機(jī)鐵耗的計(jì)算方法有很多，但是電機(jī)內(nèi)磁密變化過于復(fù)雜。傳統(tǒng)的三項(xiàng)式法，把鐵耗分為磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗，把所測(cè)得的鐵耗數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，然而高頻下擬合數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差較大。本文在充分考慮磁密大小、頻率、諧波、旋轉(zhuǎn)磁密對(duì)鐵耗的影響下，提出一種變系數(shù)正交分解鐵耗計(jì)算方法 [3]。

二 電機(jī)設(shè)計(jì)

本人結(jié)合永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理論，針對(duì)SMC材料的物理化學(xué)性能，設(shè)計(jì)出兩臺(tái)定子材料分別為SMC和DW470的永磁同步電動(dòng)機(jī)，極對(duì)數(shù)p=8、定子槽為18槽永磁體為徑向內(nèi)置式、額定轉(zhuǎn)速n=3000n/min、額定功率P=1kw。然后運(yùn)用Ansys有限元軟件進(jìn)行建模仿真。

三 空載特性比較

（一）空載鐵耗的計(jì)算

鐵耗計(jì)算公式有很多，但如何能夠更準(zhǔn)確的計(jì)算鐵耗一直是學(xué)者研究的熱點(diǎn)，本人綜合眾多鐵耗公式，總結(jié)出了一種變系數(shù)正交分解鐵耗計(jì)算公式，此公式不但考慮了磁密變化對(duì)鐵耗擬合系數(shù)的影響，還考慮了各諧波和非正弦波對(duì)鐵耗的影響。傳統(tǒng)鐵耗模型為：P=khfBa+kef2B2+kaf1.5B1.5（1） 。kh、a、ke、ka分為磁滯損耗、渦流損耗、附加損耗系數(shù)。通常根據(jù)鐵耗曲線擬合為常系數(shù)，然而由于這種擬合誤差度較大，本文采用變系數(shù)擬合方法，用1stopt軟件，把a(bǔ)、ke、ka三個(gè)系數(shù)看做磁密B的函數(shù)，a=K1+k2*B+K3*B2+K4*B3， ke=K5+k6*B+K7*B2+K8*B3， ka=K9+k10*B+K11*B2+K12*B3把這三個(gè)公式代入公式（1）里，通過1stopt軟件求解出各個(gè)系數(shù)值。然后考慮在永磁同步電機(jī)中，電機(jī)每部分的鐵耗不是正弦變化的而是橢圓變化的，包括徑向磁密和切向磁密，所以電機(jī)每一點(diǎn)的磁密分解為徑向和切向磁密，然后用傅里葉分解為基波和各次諧波。

本文設(shè)計(jì)額定功率為1KW的兩個(gè)電機(jī)，永磁體材料為N38SH，定子材料分別為SMC和DW470。通過變系數(shù)正交分解和有限元法測(cè)得的DW470電機(jī)和SMC電機(jī)的鐵耗。DW470初始低轉(zhuǎn)速階段鐵耗較小，SMC鐵耗相對(duì)較大。隨著轉(zhuǎn)速的增加，SMC材料電機(jī)鐵耗增長(zhǎng)速率較低，在2800n/min時(shí)兩者鐵耗相等，隨著轉(zhuǎn)速的逐漸增加，兩者鐵耗值差距逐漸拉大。在高轉(zhuǎn)數(shù)下SMC材料電機(jī)的鐵耗值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于DW470電機(jī)鐵耗值。

進(jìn)一步分析SMC和DW470兩臺(tái)永磁同步電機(jī)磁滯損耗和渦流損耗，隨著轉(zhuǎn)速的增加，鐵耗也進(jìn)一步增加，但SMC電機(jī)磁滯損耗和渦流損耗增加都比較緩慢，而DW470電機(jī)渦流損耗增加很快。隨著頻率的增加，DW470電機(jī)總鐵耗逐漸大于SMC電機(jī)鐵耗。

（二）空載反電動(dòng)勢(shì)

對(duì)兩臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行空載反電動(dòng)勢(shì)有限元仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果誤差較小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，在相同頻率下，DW470電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)大于SMC電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)。

（三）氣隙磁密分析

采用Ansys有限元軟件對(duì)電機(jī)氣隙進(jìn)行磁密計(jì)算，SMC電機(jī)氣隙磁密幅值1.1093T，DW470電機(jī)氣隙磁密幅值為1.2542T， DW470電機(jī)氣隙磁密比較大，兩者相差12%左右。

四 結(jié)論

本文通過對(duì)兩臺(tái)定子材料分別SMC軟磁復(fù)合材料和DW470材料永磁同步電機(jī)進(jìn)行變系數(shù)正交分解鐵耗計(jì)算和有限元仿真，得出如下結(jié)論：

（1）SMC電機(jī)與DW470電機(jī)比較得出，由于SMC材料磁滯損耗隨頻率增加較緩慢，SMC電機(jī)適合在400HZ以上條件下應(yīng)用。頻率越高，SMC電機(jī)優(yōu)勢(shì)越明顯。

（2）由于SMC軟磁復(fù)合材料磁導(dǎo)率較小，SMC樣機(jī)氣隙磁密幅值要比DW470樣機(jī)磁密幅值小11%左右。相同頻率下SMC電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)較小，兩者相差20%左右。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 竇一平，郭有光，朱建國(guó).軟磁復(fù)合材料在電機(jī)中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，11（22）：46-51.

[2] 喬家鐘.鐵粉軟磁復(fù)合材料開發(fā)及其在電機(jī)上的應(yīng)用.金屬功能材料，2002，9（3）：19-25.

[3] 孔曉光. 高速永磁電機(jī)定子損耗和溫升研究[D].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2011.

作者簡(jiǎn)介 ：孔德財(cái)（1987-），男，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，碩士研究生，研究方向：電機(jī)與電器。

趙國(guó)新（1979-），男，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，講師。研究領(lǐng)域：永磁電機(jī)的基礎(chǔ)理論研究與設(shè)計(jì)研究。