淺談軟磁復合材料在電機中的應用

劉倚汛 四川省雅安中學

軟磁復合材料是冶金技術當中將預先混合的高純度絕緣層鐵粉與有機材料相互融合，通過模壓形成的特殊材料。在近些年的發展過程中，電磁裝置中傳統的硅鋼片可以被軟磁復合材料所替代，因此軟磁復合材料也常常在電機當中應用。相較于傳統材料，軟磁材料的加工方法特殊，不需要進行二次加工，能夠直接投入生產和使用，極大程度地節省了電機制造的成本，深受電機研究者的青睞。

1 軟磁復合材料環形繞組電機的應用

軟磁復合材料最早應用于電機制造和生產始于1995年。英國學者在進行環形繞組電機的設計的時候，創新地將軟磁復合材料加入到了電機設計之中，當時所設計的電機為雙轉子軸的磁通環形繞組電機，研究人員在進行電機設計的時候，分別對比了軟磁復合材料與傳統硅鋼片在作為電機使用材料的優劣后，拋棄掉傳統的硅鋼片材料，改用軟磁復合材料進行設計。在第一批電機當中，軟磁復合材料的應用使得設計頻率較高的電機擁有更好的工作效率。這是由于與傳統的硅鋼片相比，軟磁復合材料由于具有氧體和非晶合金的特點，在使用的過程中，渦輪損耗更低，在高頻率的電機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合材料在電機設計和電機生產當中的應用價值第一次被挖掘出來，并呈現在生產行業之中。

2 軟磁復合材料在新型爪極永磁電機中的應用

隨著軟磁材料的應用越來越普遍，更多的電機設計者和研究者投入到設計和生產當中。加拿大著名學府laval大學的研究人員在對集中式繞組分數槽的有刷電機進行研究中，發現了軟磁復合材料作為其鐵心相較于傳統分布式繞組電機有著更高的轉矩和用銅量，因此基于這一特點，研究人員設計了基于軟磁復合材料的新型爪極永磁電機拓撲結構。在新型的電機當中，電機通過三個模塊實現功能，同時使軸向長度大幅度縮短，實現了三個模塊之間安裝的繞組設計提升了電機的性能。

3 軟磁復合材料在鐵心步進永磁電機中的應用

日本研究者于2014年在對傳統步進電機進行研究和改進的過程中，發現了運用軟磁復合材料進行外擴的設計方法，通過軟磁復合材料的使用可以使電機部件當中的定子齒頂部以及定子軛部能夠在一定程度上實現外擴，從而使電機使用的效率大幅度提高，并且保證了在低速狀態運行下的軟磁復合材料的應用能力和應用價值，是現階段軟磁復合材料又一項具有突破性的應用發展。

4 軟磁復合材料的使用分析

在對應用軟磁復合材料進行設計和生產的電機進行分析研究后，本文從損耗和性能兩個方面對軟磁復合材料電機進行了總結。

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

在性能方面，本文將軟磁復合材料電機設備與其他類型的傳統電機設備相比較，在進行電壓限定之后，對兩部電機的運行情況進行觀察，結果顯示，額定轉速、額定電壓和額定負載之下，軟磁復合材料電機設備效率達到83.62%，相較傳統設備高出13.6%，性能更好。

5 軟磁復合材料在多層優化設計中的應用

在軟磁復合材料在電機生產設計中的特點和優勢被提出后，越來越多的研究者在電機生產過程中開始使用軟磁復合材料進行電機的設計和應用。例如在鐵心電機多層優化當中，研究者也提出了軟磁復合材料的應用方案。在傳統的電機優化當中，當設計到高維優化的設計問題時，通常需要將不同材料的參數進行統一，因此在計算時，計算成本高、計算量巨大，消耗時間。但是在使用軟磁復合材料的鐵心電機當中，就可以通過有限元的方式進行遺傳算法迭代，從而實現對參數的優化。

首先，設計人員可以對變量和輸出結果之間存在的關聯度和敏感度進行分析，在軟磁復合材料的電機當中，初始變量的設計一般可以分為三層，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，因此在對其進行優化時，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行優化時，同樣需要保證X1子集合的變量固定不變，通過多次優化，實現目標函數的收斂條件滿足，最后輸出優化結果。

在軟磁復合材料電機中，定子內徑、定子外徑、氣隙長度、繞組匝數等重要參數都能夠快速準確的得到確定，并根據優化方法進行敏感度辨別和集合確定，最終實現對于電機參數的多層優化。

隨著軟磁復合材料的應用范圍逐漸擴大，越來越多的電機設備在進行設計和生產時選擇使用軟磁復合材料。通過對比也可以看出，軟磁復合材料的電機設備擁有更好的性能和更低的損耗，符合現階段節能社會的需求。

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