淺談軟磁復(fù)合材料在電機(jī)中的應(yīng)用

劉倚汛 四川省雅安中學(xué)

軟磁復(fù)合材料是冶金技術(shù)當(dāng)中將預(yù)先混合的高純度絕緣層鐵粉與有機(jī)材料相互融合，通過模壓形成的特殊材料。在近些年的發(fā)展過程中，電磁裝置中傳統(tǒng)的硅鋼片可以被軟磁復(fù)合材料所替代，因此軟磁復(fù)合材料也常常在電機(jī)當(dāng)中應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)材料，軟磁材料的加工方法特殊，不需要進(jìn)行二次加工，能夠直接投入生產(chǎn)和使用，極大程度地節(jié)省了電機(jī)制造的成本，深受電機(jī)研究者的青睞。

1 軟磁復(fù)合材料環(huán)形繞組電機(jī)的應(yīng)用

軟磁復(fù)合材料最早應(yīng)用于電機(jī)制造和生產(chǎn)始于1995年。英國學(xué)者在進(jìn)行環(huán)形繞組電機(jī)的設(shè)計(jì)的時候，創(chuàng)新地將軟磁復(fù)合材料加入到了電機(jī)設(shè)計(jì)之中，當(dāng)時所設(shè)計(jì)的電機(jī)為雙轉(zhuǎn)子軸的磁通環(huán)形繞組電機(jī)，研究人員在進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)的時候，分別對比了軟磁復(fù)合材料與傳統(tǒng)硅鋼片在作為電機(jī)使用材料的優(yōu)劣后，拋棄掉傳統(tǒng)的硅鋼片材料，改用軟磁復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。在第一批電機(jī)當(dāng)中，軟磁復(fù)合材料的應(yīng)用使得設(shè)計(jì)頻率較高的電機(jī)擁有更好的工作效率。這是由于與傳統(tǒng)的硅鋼片相比，軟磁復(fù)合材料由于具有氧體和非晶合金的特點(diǎn)，在使用的過程中，渦輪損耗更低，在高頻率的電機(jī)中能夠在一定程度下降低鐵心的損耗。這一研究成果使得軟磁復(fù)合材料在電機(jī)設(shè)計(jì)和電機(jī)生產(chǎn)當(dāng)中的應(yīng)用價值第一次被挖掘出來，并呈現(xiàn)在生產(chǎn)行業(yè)之中。

2 軟磁復(fù)合材料在新型爪極永磁電機(jī)中的應(yīng)用

隨著軟磁材料的應(yīng)用越來越普遍，更多的電機(jī)設(shè)計(jì)者和研究者投入到設(shè)計(jì)和生產(chǎn)當(dāng)中。加拿大著名學(xué)府laval大學(xué)的研究人員在對集中式繞組分?jǐn)?shù)槽的有刷電機(jī)進(jìn)行研究中，發(fā)現(xiàn)了軟磁復(fù)合材料作為其鐵心相較于傳統(tǒng)分布式繞組電機(jī)有著更高的轉(zhuǎn)矩和用銅量，因此基于這一特點(diǎn)，研究人員設(shè)計(jì)了基于軟磁復(fù)合材料的新型爪極永磁電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在新型的電機(jī)當(dāng)中，電機(jī)通過三個模塊實(shí)現(xiàn)功能，同時使軸向長度大幅度縮短，實(shí)現(xiàn)了三個模塊之間安裝的繞組設(shè)計(jì)提升了電機(jī)的性能。

3 軟磁復(fù)合材料在鐵心步進(jìn)永磁電機(jī)中的應(yīng)用

日本研究者于2014年在對傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行研究和改進(jìn)的過程中，發(fā)現(xiàn)了運(yùn)用軟磁復(fù)合材料進(jìn)行外擴(kuò)的設(shè)計(jì)方法，通過軟磁復(fù)合材料的使用可以使電機(jī)部件當(dāng)中的定子齒頂部以及定子軛部能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)外擴(kuò)，從而使電機(jī)使用的效率大幅度提高，并且保證了在低速狀態(tài)運(yùn)行下的軟磁復(fù)合材料的應(yīng)用能力和應(yīng)用價值，是現(xiàn)階段軟磁復(fù)合材料又一項(xiàng)具有突破性的應(yīng)用發(fā)展。

4 軟磁復(fù)合材料的使用分析

在對應(yīng)用軟磁復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的電機(jī)進(jìn)行分析研究后，本文從損耗和性能兩個方面對軟磁復(fù)合材料電機(jī)進(jìn)行了總結(jié)。

首先在損耗方面，本文所選用的軟磁復(fù)合材料電機(jī)為爪極永磁電機(jī)，鐵心鐵損600rpm的時候，其功率約為27W，鐵損達(dá)到1800rpm時，功率約為91W，通過曲線圖可以看出，軟磁復(fù)合材料的電機(jī)設(shè)備擁有更低的損耗。

在性能方面，本文將軟磁復(fù)合材料電機(jī)設(shè)備與其他類型的傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)備相比較，在進(jìn)行電壓限定之后，對兩部電機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行觀察，結(jié)果顯示，額定轉(zhuǎn)速、額定電壓和額定負(fù)載之下，軟磁復(fù)合材料電機(jī)設(shè)備效率達(dá)到83.62%，相較傳統(tǒng)設(shè)備高出13.6%，性能更好。

5 軟磁復(fù)合材料在多層優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在軟磁復(fù)合材料在電機(jī)生產(chǎn)設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)和優(yōu)勢被提出后，越來越多的研究者在電機(jī)生產(chǎn)過程中開始使用軟磁復(fù)合材料進(jìn)行電機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。例如在鐵心電機(jī)多層優(yōu)化當(dāng)中，研究者也提出了軟磁復(fù)合材料的應(yīng)用方案。在傳統(tǒng)的電機(jī)優(yōu)化當(dāng)中，當(dāng)設(shè)計(jì)到高維優(yōu)化的設(shè)計(jì)問題時，通常需要將不同材料的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一，因此在計(jì)算時，計(jì)算成本高、計(jì)算量巨大，消耗時間。但是在使用軟磁復(fù)合材料的鐵心電機(jī)當(dāng)中，就可以通過有限元的方式進(jìn)行遺傳算法迭代，從而實(shí)現(xiàn)對參數(shù)的優(yōu)化。

首先，設(shè)計(jì)人員可以對變量和輸出結(jié)果之間存在的關(guān)聯(lián)度和敏感度進(jìn)行分析，在軟磁復(fù)合材料的電機(jī)當(dāng)中，初始變量的設(shè)計(jì)一般可以分為三層，再通過子集合的方式，將變量分為X1、X2和X3三個部分，其中，子集合X1擁有較高的敏感度參數(shù)，因此在對其進(jìn)行優(yōu)化時，需要保證其他兩個子集合的變量固定不變。而在對另兩個敏感度相對較低的子集合進(jìn)行優(yōu)化時，同樣需要保證X1子集合的變量固定不變，通過多次優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的收斂條件滿足，最后輸出優(yōu)化結(jié)果。

在軟磁復(fù)合材料電機(jī)中，定子內(nèi)徑、定子外徑、氣隙長度、繞組匝數(shù)等重要參數(shù)都能夠快速準(zhǔn)確的得到確定，并根據(jù)優(yōu)化方法進(jìn)行敏感度辨別和集合確定，最終實(shí)現(xiàn)對于電機(jī)參數(shù)的多層優(yōu)化。

隨著軟磁復(fù)合材料的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，越來越多的電機(jī)設(shè)備在進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時選擇使用軟磁復(fù)合材料。通過對比也可以看出，軟磁復(fù)合材料的電機(jī)設(shè)備擁有更好的性能和更低的損耗，符合現(xiàn)階段節(jié)能社會的需求。

[1]新型軟磁復(fù)合粉末材料[J].孫世杰.粉末冶金工業(yè). 2000(06)

[2]鐵粉基軟磁復(fù)合材料絕緣包覆層的研究[J].劉菲菲,BAKER A.P.,翁履謙,宋申華.材料開發(fā)與應(yīng)用. 2007(05)

[3]鈦白副產(chǎn)綠礬制軟磁用氧化鐵新工藝研究[J].陳出新.企業(yè)技術(shù)開發(fā).2001(01)

[4]高性能軟磁FeSiAl磁粉的制備及性能研究[J].郭云峰,李烈軍,高吉祥.冶金叢刊.2016(02)