基于軟磁復合材料的軸向磁通永磁電機設計與分析

王曉光，周 晟，劉凌云，孫 蕾，張 強

(1.湖北工業(yè)大學 電氣與電子工程學院，武漢 430068；2.山東精創(chuàng)功能復合材料有限公司, 山東 臨沂 276017；3.山東省軟磁復合材料及應用創(chuàng)新中心, 山東 臨沂 276017)

0 引 言

軟磁復合材料(Soft Magnetic Composite,SMC)是一種相對較新的軟磁材料，這種材料是將導磁的金屬顆粒表面包覆一層電絕緣層，再通過粉末冶金工藝制備而成[1-2]。這樣的制造工藝使得SMC材料具有渦流損耗小、各向同性等優(yōu)點，而且SMC材料加工是采用整塊原料模壓成型的方法，可以用于制造橫向磁通電機、爪極電機等[3-5]結(jié)構(gòu)復雜的電機。同時，SMC材料與傳統(tǒng)的硅鋼片相比也存在很多缺點，例如SMC材料的磁導率低，機械強度低，而且在相同的頻率下，這種材料的磁滯損耗比硅鋼片大[6-7]。由于磁滯損耗和渦流損耗都是電機鐵耗的組成部分，磁滯損耗與電機頻率成正比，而渦流損耗與電機頻率的平方成正比，所以只有當電機運行在高頻條件下SMC材料的鐵耗才會比硅鋼片低，低頻下不能發(fā)揮SMC材料的鐵耗優(yōu)勢[8]。

近年來，SMC在電機中的應用成為了研究熱點。文獻[9]將SMC材料分別應用于軸向電機、徑向電機、橫向電機和爪極電機中，并定性的比較了這幾種電機的轉(zhuǎn)矩密度。研究結(jié)果表明，在相同溫升的條件下，橫向電機的轉(zhuǎn)矩密度最大，爪機電機的轉(zhuǎn)矩密度次之，徑向電機的轉(zhuǎn)矩密度最小。文獻[10]用SMC材料與鐵氧體材料制作了一臺開關(guān)永磁電機，通過對電機定子結(jié)構(gòu)的改進，在定子中嵌入永磁磁環(huán)的方法，使電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力大幅提升。研究結(jié)果表明，利用SMC材料的優(yōu)勢，改進電機的結(jié)構(gòu)，可以提高電機的輸出能力。使鐵氧體電機也能擁有和釹鐵硼電機相當?shù)霓D(zhuǎn)矩密度。文獻[11]研究了開關(guān)磁阻電機在分別應用SMC材料和傳統(tǒng)硅鋼片材料時的轉(zhuǎn)矩特性和溫度特性。研究結(jié)果表明，因為SMC材料的磁導率低，所以SMC開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力低于硅鋼片開關(guān)磁阻電機。但SMC開關(guān)磁阻電機的鐵耗比硅鋼片電機小，而且SMC材料的比熱容和電導率比硅鋼片材料低，所以SMC開關(guān)磁阻電機的溫升小于硅鋼片電機。當提高SMC電機的輸入電流，使SMC電機的溫升與硅鋼片電機的溫升一致時，SMC電機的輸出轉(zhuǎn)矩大于硅鋼片電機。

為了研究SMC材料在軸向磁通電機的應用，本文設計了一種定子齒部擴張結(jié)構(gòu)的SMC軸向磁通電機。其主要特點是充分發(fā)揮SMC材料的鐵耗優(yōu)勢和容易加工的特點。首先采用軸向電機作為混合動力汽車ISG電機，并通過有限元仿真驗證電機的可行性。針對電機的鐵耗較大問題，采用SMC材料作為定子鐵心材料，有效降低了電機鐵耗。通過電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以彌補SMC材料磁導率低的缺點，本文通過定子齒部擴張，增加定子鐵心和永磁體的有效長度，從而提高電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力。定子齒部擴張的長度不超過電機的繞組端部，有效的減小了繞組端部對電機體積的影響，保證定子齒部擴張后電機的體積不變，電機功率密度和轉(zhuǎn)矩密度增加。

1 YASA定子結(jié)構(gòu)軸向磁通電機

1.1 電機結(jié)構(gòu)及性能仿真

混合動力汽車ISG要求電機重量輕、體積小、功率密度高。本文以一臺ISG用7.5kW永磁同步電機為例，電機的基本技術(shù)指標如表1所示。并采用以下方法提高電機的功率密度：

(1)軸向磁通電機的結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度比傳統(tǒng)的徑向電機大，所以本文采用軸向磁通電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的徑向電機。

(2)電機采用無軛分段鐵心(Yokeless And Segmented Armature，YASA)定子結(jié)構(gòu)，不僅可以減小電機的定子鐵心長度，提高電機的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度，還可以降低電機的嵌線難度，使電機更容易裝配和制造。

根據(jù)以上分析，為了提高電機的功率密度，本文設計了一臺20極軸向磁通電機，電機結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機由定子、轉(zhuǎn)子兩部分組成。電機的定子采用分段式鐵心結(jié)構(gòu)，每一個定子單元上有一個定子繞組，電機轉(zhuǎn)子為表貼式結(jié)構(gòu)，將永磁體貼在轉(zhuǎn)子背鐵上。整個電機的磁路是串聯(lián)的，可以減小磁通路徑，提高電機的效率和轉(zhuǎn)矩密度。

表1 電機的基本技術(shù)指標

圖1 YASA電機結(jié)構(gòu)圖

為驗證本文提出電機結(jié)構(gòu)的有效性，本次采用三維有限元仿真的方法對電機的基本性能進行了仿真計算，得到仿真結(jié)果的基本性能如圖2所示。從圖中可以看到，YASA定子結(jié)構(gòu)的軸向磁通電機的空載反電動勢的基波幅值為66V，畸變率為6.1%，電機在51A電流下的轉(zhuǎn)矩為51.7Nm，轉(zhuǎn)矩達到額定值51.5Nm，轉(zhuǎn)矩脈動為5.4%，電機在102A電流下的轉(zhuǎn)矩為103.4Nm，達到峰值轉(zhuǎn)矩要求，轉(zhuǎn)矩脈動為2.6%。

圖2 YASA定子電機性能仿真

YASA定子鐵心軸向電機的額定工況轉(zhuǎn)矩性能和峰值工況轉(zhuǎn)矩性能都比較好，符合車用電機的要求。但電機的定子鐵耗比較大，特別是在峰值工況下，電機的鐵耗為108W，電機效率低。

1.2 SMC電機定子鐵耗分析

電機的鐵耗公式如下

(1)

式中，Bm為鐵心材料的最大磁感應強度，Ph、Pe、Pa分別為磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗，kh、ke、ka分別為鐵心材料的磁滯損耗系數(shù)、渦流損耗系數(shù)和附加損耗系數(shù)。從式(1)可以知道，電機的鐵耗為磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗的總和。電機頻率對鐵耗的影響較大，特別是電機的渦流損耗，與頻率的平方成正比。當電機的頻率較高時，電機的渦流損耗比較大。由于SMC材料的渦流損耗系數(shù)很小，當選擇SMC材料作為電機的定子鐵心時，可以有效的降低電機高頻下的渦流損耗，從而降低電機的總鐵耗。

圖3為電機分別采用硅鋼片和SMC材料時電機的鐵耗情況，從圖3可以看到，電機的定子材料從硅鋼片換成SMC后，額定工況下電機的鐵耗減少了9.5%、峰值工況下電機的鐵耗減少了15.6%。以上分析可以得到，采用SMC材料很好地解決了電機鐵耗較大的問題。

圖3 硅鋼片電機與SMC電機鐵耗比較

2 齒部擴張的定子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

2.1 SMC軸向磁通電機性能仿真

盡管SMC材料有效地減小了電機鐵耗，但SMC材料的磁導率比硅鋼片小，在其他條件不變的情況下，SMC電機的輸出轉(zhuǎn)矩比硅鋼片電機小，其轉(zhuǎn)矩密度也小于硅鋼片電機。

圖4為SMC電機與硅鋼片電機的仿真對比結(jié)果。從圖中可以看到，將定子鐵心材料從硅鋼片換成SMC材料后，電機的空載反電動勢基波幅值減小了6%，額定轉(zhuǎn)矩減小了6.8%。這說明SMC電機的輸出性能比硅鋼片電機差，SMC電機的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度也小于硅鋼片電機。

圖4 SMC電機與硅鋼片電機仿真比較

2.2 擴張齒定子結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為彌補SMC電機在輸出上的缺陷，本文采用一種齒部擴張的定子結(jié)構(gòu)，電機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。這種結(jié)構(gòu)增大了定子鐵心和轉(zhuǎn)子永磁體的有效長度，從而提高了電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力，而且這種結(jié)構(gòu)解決了繞組端部帶來的電機體積增大的問題，進一步提升了電機的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度。

如圖5(b)所示，當電機齒部擴張5mm時，電機的體積與原電機相同，提高電機的輸出轉(zhuǎn)矩可以提高電機的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度。

圖5 齒部擴張電機結(jié)構(gòu)

圖6為SMC電機齒部擴張前后電機的輸出轉(zhuǎn)矩對比，從圖6可以看到，定子材料都用SMC材料，采用齒部擴張的定子結(jié)構(gòu)后，在相同的電流下，電機的轉(zhuǎn)矩提高到了61Nm，電機的轉(zhuǎn)矩提高了21%，轉(zhuǎn)矩輸出能力超過了硅鋼片電機，驗證了齒部擴張結(jié)構(gòu)的可行性。但車用電機的輸出轉(zhuǎn)矩是一定的，通過有限元仿真，擴張齒定子結(jié)構(gòu)的SMC電機在45A電流下就可以達到額定轉(zhuǎn)矩，額定電流比齒部優(yōu)化前減小了11.7%，可以降低電機的電流密度和銅耗，提高了電機的效率。

圖6 SMC電機定子齒部擴張前后輸出轉(zhuǎn)矩比較

3 電機比較分析

為進一步表明SMC軸向磁通永磁電機性能的優(yōu)勢，現(xiàn)將SMC軸向磁通永磁電機與傳統(tǒng)徑向磁通硅鋼片電機和軸向磁通硅鋼片電機做綜合比較分析。3種電機的模型如圖7所示。表2列出了3種電機的主要尺寸，3種電機的主要區(qū)別在于：

(1)徑向電機的極槽配合為12極18槽，軸向電機的極槽配合為20極24槽。這是為了發(fā)揮SMC的鐵耗優(yōu)勢，使電機運行在高頻下，所以提高了電機的極數(shù)。而槽數(shù)是根據(jù)電機在不同極槽配合下的繞組系數(shù)確定的。

(2)徑向電機的外徑比軸向電機大，這是因為軸向電機的結(jié)構(gòu)更加緊湊，具有更高的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度。

圖7 三種電機仿真模型

尺寸徑向電機硅鋼片軸向電機SMC軸向電機電機極數(shù)/槽數(shù)12/1820/2420/24定子鐵心材料DW465DW465Haganas-ur5p轉(zhuǎn)子鐵心材料DW465Steel-1010Steel-1010永磁體材料N38UHN38UHN38UH電機外徑/mm315200200定子鐵心外徑/mm315190200定子鐵心內(nèi)徑/mm232130120轉(zhuǎn)子鐵心外徑/mm210190200轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑/mm170130120電機軸向長度/mm424040定子鐵心軸向長度/mm422222

3.1 空載反電動勢比較

圖8為3種電機的空載反電動勢波形及其傅里葉分析。從圖8可以看到SMC軸向電機的空載反電動勢基波幅值最大，這是因為定子齒部擴張結(jié)構(gòu)增大了定子鐵心和轉(zhuǎn)子永磁體的有效長度，使得電機的結(jié)構(gòu)更加緊湊，提高了電機的空間利用率。通過傅里葉分析得到，擴張齒結(jié)構(gòu)的SMC電機空載氣隙磁密的畸變率最小，其空載性能最好。

圖8 空載反電動勢比較

3.2 轉(zhuǎn)矩性能比較

圖9為3種電機在不同工況下的轉(zhuǎn)矩性能比較。在額定工況下，徑向電機需要58A電流達到額定轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動為8.1%，硅鋼片軸向電機需要51A電流達到額定轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動為5.4%，SMC軸向電機需要45A電流達到額定轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動為3.6%。在峰值工況下，徑向電機需要112A電流達到峰值轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動為12.6%，硅鋼片軸向電機需要102A電流達到峰值轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動為2.6%，SMC軸向電機需要88A電流達到峰值轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動為2.4%。根據(jù)以上分析，SMC軸向電機在額定和峰值工況所需要的電流是最小的，這說明SMC軸向電機的轉(zhuǎn)矩密度最高；而且SMC軸向電機的轉(zhuǎn)矩脈動是最小的，其轉(zhuǎn)矩性能最好。

圖9 三種電機轉(zhuǎn)矩性能比較

3.3 電機損耗比較

圖10為3種電機在不同工況下的損耗比較(這里損耗只考慮銅耗和鐵耗，忽略了機械損耗的影響)。從圖8可以看到，徑向電機的鐵耗最大，這是徑向電機體積大，鐵心材料用量多造成的。SMC軸向電機的鐵耗比硅鋼片軸向電機的鐵耗相當，這是由于SMC軸向電機的定子鐵心和永磁體的有效長度比硅鋼片軸向電機大，盡管采用了鐵耗較低的SMC材料，但由于材料用量的增加使得鐵耗增大。但SMC軸向電機的銅耗明顯小于其他兩種電機，其總損耗是3種電機中最小的，效率也是最高的。

圖10 三種電機損耗比較

4 結(jié) 論

(1)傳統(tǒng)硅鋼片在高頻下會產(chǎn)生較大的鐵耗，用SMC材料可以很好的解決這一問題。本文采用有限元仿真的方法驗證了基于SMC軸向磁通電機的可行性。

(2)利用SMC材料的加工特點，可以對電機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。通過優(yōu)化設計，可以提高電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力，彌補SMC材料磁導率低的缺點。

(3)優(yōu)化后的SMC軸向磁通電機在反電動勢、輸出轉(zhuǎn)矩和電機效率等性能上均優(yōu)于硅鋼片電機，進一步說明SMC材料在電機中的應用前景非常廣泛。