軟磁復合材料及其在永磁無刷電機中的應用

徐衍亮 王冰冰 高啟龍 張云

摘 要：為了研究軟磁復合材料（SMC）在永磁無刷電機中的應用，對疊壓硅鋼電機、SMC三維磁路結構電機、SMC二維磁路結構電機進行了對比，同時針對基于SMC的三維磁路結構電機難以采用通用的商用軟件進行初始設計的問題，提出一種二維磁路等效設計方法。首先對SMC試塊及50TW600疊壓硅鋼試塊進行了磁化特性及鐵耗的對比性能測試，其次，基于試塊測試結果，對三種電機進行了對比研究，接著，鑒于SMC三維磁路電機的結構復雜性，對其與SMC二維磁路結構電機的等效性進行研究，以方便SMC三維磁路電機的初始分析設計，最后，對SMC三維磁路結構電機進行了樣機試制和實驗，證明了SMC三維磁路結構電機的可行性。

關鍵詞：軟磁復合材料；永磁無刷電機；鐵磁特性；三維結構；等效設計

中圖分類號：TM 351

文獻標志碼：A

文章編號：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

作為一種電機用新型導磁材料，軟磁復合材料（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%、鐵心疊壓系數近1及尺寸精度高等優點，但也有導磁率較低、磁滯損耗大等明顯的缺點[1-2]。如何充分利用SMC的優勢，彌補其缺點，成為該種材料在電機中的研究熱點。其較低導磁率的缺陷，盡管其有應用于電樞激勵電機如感應電機和磁阻電機的研究文獻報道[3-4]，但無疑會在這些電機中產生較大的激磁電流，SMC的這一缺陷在磁極激勵電機如直流或交流換向器電機及同步電機中并不敏感，特別是在永磁電機中更可忽略不計[2]，因此SMC的研究主要集中于永磁電機中，包括永磁有刷直流電機[5]、永磁無刷電機，特別是后者更是研究的重中之重，所開發的SMC電機產品也主要是永磁無刷電機。如韓國舉辦的The 2006 Power Metallurgy World Congress and Exhibition中展示的壓縮機用永磁無刷電機，采用SMC材料，在相同性能下，電機的長度縮短30%，用銅量少用30%；YASA Motor 采用SMC材料開發的無軛分塊電樞（Yokeless And Segmented Armature）永磁無刷電機YASA 750R，應用于電動汽車驅動，具有1.89 kW/kg的額定功率密度、10.81 Nm/kg的連續轉矩密度。

在一些SMC電機的研究中，沒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]，但眾多文獻針對SMC電機的研究，充分利用了SMC各向同性磁特性，首先將該種材料應用于目前存在的具有三維磁路結構的電機中，如軸向磁場盤式電機[7]、混合步進電機[8]、爪極電機[9]、圓筒形直線電機[10]和橫向磁通電機[11]中，其次，將普通電機設計成三維磁路電機，即鐵心齒身的軸向長度小于齒頂的軸向長度[12]。

本文首先對某公司生產的SMC材料與疊壓硅鋼材料進行性能測試對比研究，然后基于一臺三相12槽/10極永磁無刷電機，對比研究疊壓硅鋼電機、SMC三維磁路電機、SMC二維磁路電機的相永磁電動勢的差異及其原因，最后針對目前SMC三維磁路電機難以采用通用的基于磁路分析的商用軟件進行初始設計的境況，提出其等效設計方法，基于該方法，可以把SMC三維磁路電機等效為通常的二維磁路，借用現有的商用軟件進行初始分析與設計。最后對SMC三維磁路電機進行了樣機的試制和實驗，取得了良好的效果。

1 SMC材料與疊壓硅鋼材料鐵磁性能測試比較

圖1為采用某公司生產的SMC材料壓制而成的圓環形試塊，該試塊外徑40 mm、內徑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，對兩試塊分別進行50 Hz、400 Hz、1 000 Hz交變頻率下磁化特性及鐵耗特性的對比實驗，實驗結果如圖2所示。

由圖2可以看出：

1）交變頻率對磁化性能的影響

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

2）磁密對磁化性能的影響

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

無論何種頻率，在磁密大于1.6T時，SMC的導磁性能開始優于疊壓硅鋼材料。磁密越高，優勢越明顯。可以看出，從導磁角度，SMC適宜于高鐵心磁密場合，以增加對疊壓硅鋼材料的優勢。

3）磁密和頻率對鐵耗的影響

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，實際上，無論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，磁滯損耗對SMC鐵耗的影響更大；在低頻時，SMC材料的鐵耗高于疊壓硅鋼材料，但在400 Hz左右時，SMC材料的鐵耗已低于疊壓硅鋼材料，頻率越高，SMC的鐵耗優勢越明顯。

總之，SMC鐵心更適合于高頻和高磁密狀態；在常規電機鐵心頻率和磁密下，SMC材料無論磁化特性還是鐵耗特性都低于疊壓硅鋼材料，因此，應利用SMC的各向同性磁特性，將SMC材料應用于本質上具有三維磁路結構的電機中，如橫向磁通電機、混合步進電機、圓筒形直線電機等，或將普通電機設計成三維磁路結構（見下一部分），同時應盡可能減少SMC鐵心磁路長度和SMC鐵心體積，以降低SMC材料磁化特性和鐵耗特性差帶來的影響。實際上，在常規電機鐵心頻率和磁密下，可以組合采用SMC材料和疊壓硅鋼材料，只利用SMC材料實現電機的三維磁路結構，但電機的主要鐵心磁路仍由疊壓硅鋼材料構成。

2 SMC電機與疊壓硅鋼電機的對比研究

各向磁同性是SMC材料的主要優越特性之一，對通常的永磁無刷電機，可以利用SMC材料的這一特性，使電機具有三維磁路結構，即電機定子齒頂的軸向長度大于齒身的軸向長度，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刷電機。將SMC電機分成SMC三維磁路結構和SMC二維磁路結構兩種電機并同時與疊壓硅鋼電機相比較。因此相比較的三種電機包括：疊壓硅鋼電機、SMC二維磁路結構電機和SMC三維磁路結構電機，三種電機以3相10極12槽永磁無刷電機為例進行比較，除定子鐵心材料、定子齒身軸向長度不同外（分別如圖3所示），其他完全相同。三種電機的其他主要參數如表1所示，轉子采用內置“一”字形磁體結構。

采用三維電磁場有限元方法計算了三種電機在4 800 r/min（相當于400 Hz交變頻率）時空載運行狀態，包括永磁相電動勢值以及在永磁體與定子齒對齊時定子齒各部分的磁通大小，計算結果如表2所示。可以看出，在SMC三維磁路電機齒身軸向長度比疊壓硅鋼電機降低25.8%（意味著SMC三維磁路電機整體軸向長度縮短25.8%，用銅量及定子繞組銅耗也大幅降低）時，其永磁相電動勢只比疊壓硅鋼電機降低了16.9%，而相同結構尺寸的SMC二維磁路電機和疊壓硅鋼電機，前者的永磁相電動勢相對于后者降低了10.4%。這說明，在SMC材料應用于常規電機時，只有采用三維磁路結構，才可能比疊壓硅鋼電機具有優勢。

由表2還可以看出，三種電機定子齒氣隙處磁通量之間的差異程度遠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相反電動勢的大小。圖4和圖5給出了三種電機定子齒氣隙處和齒身處磁密沿軸向長度的變化關系，可以看出，（1）對定子齒氣隙處磁密，疊壓硅鋼電機稍高，其他兩種電機稍低，但三種電機定子齒氣隙處的磁密沿軸向均勻分布；（2）三種電機定子齒身處磁密沿軸向的分布差異較大，疊壓硅鋼電機及SMC二維磁路電機的磁密分布均勻，SMC三維磁路電機的齒身磁密沿軸向不均勻分布，在電機軸向中間部分磁密較低，靠近兩端磁密增大，在進行SMC三維磁路電機電磁設計時也應考慮這一磁密的不均勻。

圖6為三種電機的永磁相電動勢波形圖，可以看出，SMC電機的齒諧波電動勢明顯低于疊壓硅鋼電機，而且SMC三維磁路電機波形正弦性也優于疊壓硅鋼電機，可以推得SMC電機在負載時的齒槽轉矩脈動也會低于疊壓硅鋼電機。顯然，SMC電機具有低的齒諧波電動勢源于其材料導磁率較低，SMC三維磁路電機相電動勢的良好波形正弦性源于其繞組端部對電動勢的貢獻。

3 SMC三維磁路電機的二維設計研究

由上述分析可以看出，基于SMC材料的鐵磁性能，在應用于常規永磁無刷電機時，必須采用三維磁路結構才有可能比疊壓硅鋼電機具有優勢。目前為止，SMC三維磁路電機只能采用三維電磁場的有限元方法進行分析、設計，而沒有現成的基于磁路分析的商用軟件，這顯然不利于該種電機的初始設計。為此需要探討該種電機基于二維磁路的設計方法，并采用現有基于磁路分析的商用軟件進行設計。

SMC三維磁路電機的主要特點是齒身長度與齒頂長度不相同，為將SMC三維磁路電機變為等效的二維磁路電機，在保持齒身面積不變的前提下，縮小齒身寬度，將齒身軸向長度變為與原三維磁路電機齒頂軸向長度相等。上述SMC三維磁路結構電機，齒頂和齒身的軸向長度分別為62 mm、46 mm，齒身的寬度為10 mm，保持齒身面積不變時，將齒身軸向長度也變為62 mm，則齒身寬度變為7.42 mm。這樣原有的三維磁路結構電機變為一個可以采用商用電機設計軟件進行設計的二維磁路結構電機。采用三維電磁場有限元方法，分別計算原SMC三維磁路結構電機及其等效二維磁路結構電機的永磁相電動勢波形，如圖7所示，可以看出，兩者相電動勢波形符合很好，說明這一等效的正確性，即在進行SMC三維磁路電機電磁設計時，可以首先將該電機等效為二維磁路電機，采用現有的商用永磁無刷電機設計軟件進行初始設計，最后采用三維電磁場的有限元方法進行校正。值得注意的是，在采用現有商用軟件進行SMC等效二維磁路電機進行設計時，需要考慮槽滿率的計算差異。

4 樣機試制及試驗

樣機電機主要結構參數與前述計算樣機相同，樣機電機實際氣隙調整為0.4 mm，并通過調整繞組串聯匝數使電機的額定轉速降低為1 000 r/min。在樣機試制過程中，采用模塊化SMC定子鐵心結構，將電機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，同時有利于繞組線圈的嵌放，縮小繞組端部長度。圖8給出整體樣機及相關配件的實物圖。

在1 000 r/min時，測得樣機電機的永磁相電動勢波形如圖9所示，可以看出樣機電機具有良好的電動勢波形正弦性。圖10為樣機電機在不同轉速下效率隨輸出功率的變化曲線，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，但是由于電機利用了SMC材料的各向同性磁特性而使電機具有三維磁路結構，同時采用了模塊化SMC鐵心結構，使繞組端部很小，因此電機的運行效率較高。

5 結 論

本文針對SMC試塊及疊壓硅鋼試塊進行了鐵磁性能的對比測試，基于試塊測試結果，對疊壓硅鋼電機、SMC三維磁路結構電機、SMC二維磁路結構電機進行了對比研究，同時對SMC三維磁路結構電機的等效設計進行了研究，最后對SMC三維磁路結構電機進行了樣機試制及實驗，得到了以下主要結論：

1）與疊壓硅鋼材料相比，SMC材料適于高頻及高磁密場合；在常規交變頻率及磁密時，采用SMC材料，應將其應用于本質上是三維磁路的電機，或將常規的電機設計成三維磁路結構，同時應盡可能降低SMC鐵心磁路長度和SMC鐵心體積，將SMC材料與疊壓硅鋼材料組合使用是降低SMC鐵心磁路長度和SMC鐵心體積的有效方法。

2）常規的永磁無刷電機在采用SMC材料進行三維磁路結構設計時，將該電機等效成通常的二維磁路電機，從而可以采用基于磁路的商用電磁設計軟件進行電機的初始設計，避免了三維磁路電機基于三維電磁場的設計過程。

3）對SMC三維磁路結構電機進行了樣機試制和實驗，由于SMC電機三維磁路結構及模塊化鐵心結構的采用，盡管SMC電機工作于鐵耗高于硅鋼電機的工作頻率范圍，樣機電機仍具有較高的運行效率。

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（編輯：劉素菊）