SMC軟磁復合材料永磁同步電機性能研究

孔德財 趙國新

【摘 要】 SMC軟磁復合材料由于其特殊性能，目前在高速電機中有著廣泛應用前景。通過研究了定子材料分別為SMC和DW470的18槽16極永磁同步電機在不同頻率下的的鐵耗，比較兩種材料電機的鐵耗情況。進一步分析了兩種材料電機的反電動勢、氣隙磁密、和齒槽轉矩等情況，總結SMC材料電機的優勢和劣勢。通過比較發現，在低轉速下，DW470電機鐵耗較小，在高轉速下，SMC電機鐵耗較小，并隨著頻率進一步增大，SMC電機鐵耗增加值明顯小于DW470電機，在高轉速下更有優勢。SMC永磁同步電機氣隙磁密較小，幅值為1.1093T。在相同頻率下，SMC電機空載反電動勢較小。

【關鍵詞】 軟磁復合材料 有限元法 鐵耗 正交分解法 空載鐵耗 變系數

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高轉速時電機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勢，如熱各向同性、電阻率更高等優點。但是SMC材料也有一些不可避免的缺點，如磁滯損耗高、磁導率低、易碎等。因此要充分發揮它的優勢，避免它的劣勢。

電機鐵耗的計算方法有很多，但是電機內磁密變化過于復雜。傳統的三項式法，把鐵耗分為磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗，把所測得的鐵耗數據進行非線性擬合，然而高頻下擬合數據和實驗數據相差較大。本文在充分考慮磁密大小、頻率、諧波、旋轉磁密對鐵耗的影響下，提出一種變系數正交分解鐵耗計算方法 [3]。

二 電機設計

本人結合永磁同步電動機設計理論，針對SMC材料的物理化學性能，設計出兩臺定子材料分別為SMC和DW470的永磁同步電動機，極對數p=8、定子槽為18槽永磁體為徑向內置式、額定轉速n=3000n/min、額定功率P=1kw。然后運用Ansys有限元軟件進行建模仿真。

三 空載特性比較

（一）空載鐵耗的計算

鐵耗計算公式有很多，但如何能夠更準確的計算鐵耗一直是學者研究的熱點，本人綜合眾多鐵耗公式，總結出了一種變系數正交分解鐵耗計算公式，此公式不但考慮了磁密變化對鐵耗擬合系數的影響，還考慮了各諧波和非正弦波對鐵耗的影響。傳統鐵耗模型為：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。通常根據鐵耗曲線擬合為常系數，然而由于這種擬合誤差度較大，本文采用變系數擬合方法，用1stopt軟件，把a、ke、ka三個系數看做磁密B的函數，a=K1+k2*B+K3*B2+K4*B3， ke=K5+k6*B+K7*B2+K8*B3， ka=K9+k10*B+K11*B2+K12*B3把這三個公式代入公式（1）里，通過1stopt軟件求解出各個系數值。然后考慮在永磁同步電機中，電機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，所以電機每一點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。

本文設計額定功率為1KW的兩個電機，永磁體材料為N38SH，定子材料分別為SMC和DW470。通過變系數正交分解和有限元法測得的DW470電機和SMC電機的鐵耗。DW470初始低轉速階段鐵耗較小，SMC鐵耗相對較大。隨著轉速的增加，SMC材料電機鐵耗增長速率較低，在2800n/min時兩者鐵耗相等，隨著轉速的逐漸增加，兩者鐵耗值差距逐漸拉大。在高轉數下SMC材料電機的鐵耗值遠遠低于DW470電機鐵耗值。

進一步分析SMC和DW470兩臺永磁同步電機磁滯損耗和渦流損耗，隨著轉速的增加，鐵耗也進一步增加，但SMC電機磁滯損耗和渦流損耗增加都比較緩慢，而DW470電機渦流損耗增加很快。隨著頻率的增加，DW470電機總鐵耗逐漸大于SMC電機鐵耗。

（二）空載反電動勢

對兩臺樣機進行空載反電動勢有限元仿真計算和實驗，實驗測試結果和仿真結果誤差較小。根據實驗所測得的數據，在相同頻率下，DW470電機反電動勢大于SMC電機反電動勢。

（三）氣隙磁密分析

采用Ansys有限元軟件對電機氣隙進行磁密計算，SMC電機氣隙磁密幅值1.1093T，DW470電機氣隙磁密幅值為1.2542T， DW470電機氣隙磁密比較大，兩者相差12%左右。

四 結論

本文通過對兩臺定子材料分別SMC軟磁復合材料和DW470材料永磁同步電機進行變系數正交分解鐵耗計算和有限元仿真，得出如下結論：

（1）SMC電機與DW470電機比較得出，由于SMC材料磁滯損耗隨頻率增加較緩慢，SMC電機適合在400HZ以上條件下應用。頻率越高，SMC電機優勢越明顯。

（2）由于SMC軟磁復合材料磁導率較小，SMC樣機氣隙磁密幅值要比DW470樣機磁密幅值小11%左右。相同頻率下SMC電機反電動勢較小，兩者相差20%左右。

【參考文獻】

[1] 竇一平，郭有光，朱建國.軟磁復合材料在電機中的應用[J].電工技術學報，2007，11（22）：46-51.

[2] 喬家鐘.鐵粉軟磁復合材料開發及其在電機上的應用.金屬功能材料，2002，9（3）：19-25.

[3] 孔曉光. 高速永磁電機定子損耗和溫升研究[D].沈陽工業大學，2011.

作者簡介 ：孔德財（1987-），男，沈陽工業大學，碩士研究生，研究方向：電機與電器。

趙國新（1979-），男，沈陽工業大學，講師。研究領域：永磁電機的基礎理論研究與設計研究。