基于软磁复合材料的轴向磁通永磁电机的铁耗分析_平佳齐.pdf

中国电工网基于软磁复合材料的轴向磁通永磁电机的铁耗分析平佳齐，张志锋，武岳（沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 ）摘要：无磁轭分块轴向磁通永磁电机具有体积小、径长比高、功率密度高、转矩密度大、铁心材料用量少、铁心磁路短等优点，尤其是应用于空间小的场合时，其技术优势更加明显。但随着电机频率的增大，电机铁耗也不断上升。为了降低电机铁耗，可选用软磁复合材料（）取代传统硅钢片。与传统硅钢片相比，具有涡流损耗低、易于成型等特点。将轴向磁通电机的定转子铁心分别选用 材料与硅钢片材料，通过仿真对比转矩和铁耗，并考虑不同频率的影响，验证了在高频率下 电机具有更为显著的低铁耗优势。关键词：软磁复合材料；轴向磁通电机；铁耗；硅钢片中图分类号：，（，）：，（），：；基金项目：国家自然科学基金项目（编号 ）；辽宁省教育厅科学研究一般项目（编号 ）收稿日期：作者简介：平佳齐（），硕士研究生，研究方向为永磁电机设计及多物理场分析。引言轴向磁通电机具有体积小、噪声低、功率密度高、散热性好等诸多优点，因此在电动汽车、无人机、风力发电等领域得到了广泛应用。定子无磁轭分块轴向磁通永磁同步电机具有磁通方向为轴向的技术特征，使其结构不同于常规径向电机。由于此类电机的定子没有磁轭，使得铁心材料用量少，铁心磁路短，从而简化了电机的制造工艺，因此比普通轴向磁通永磁电机更加具有技术优势。软磁复合材料（）具有涡流损耗小、磁热特性各向同性等优点，但也具有磁滞损耗大、磁导率低、机械强度低等缺点。铁耗主要包括磁滞损耗和涡流损耗，而磁滞损耗与涡流损耗分别与频率的一次方和二次方成正比，所以在高频下软磁材料可弥补硅钢片涡流损耗大的不足。软磁复合材料的明显优势得到了电机行业的广泛关注并已成为研究热点。文献 将 材料分别应用于径向电机、横向电机、轴向电机和爪极电机中，并在转矩密度方面对这些电机进行了定性比较。研究结果表明，当温升控制在相同的水平时，转矩密度最大的是横向电机，其次是爪极电机，最小的是径向电机。文献 研究了开关磁阻电机，分析了 和传统硅钢片两种材料下的转矩特性和温度特性。结果表明，由于 材料的磁导率低，因此硅钢片开关磁阻电机的转矩输出能力高于 开关磁阻电机，然而硅钢片开关磁阻电机的铁耗又高于 开关磁阻电机。又由于 材料的电导率比硅钢片材料低，因此 开关磁阻电机的温升小于硅钢片电机。当控制电机输入电流，使 电机与硅钢片电机的温升一致时，电机的输出转矩大于硅钢片电机输出转矩。文献 对 材料电机做了充分的研究，发现在不同输电工技术理论研究2023 1期出功率和不同转速下，硅钢片和 材料的电机性能是不同的，当电机运行在 和 时，材料电机效率低；在 以上时，材料电机效率高。文献 比较了由硅钢片材料和 材料制作的感应电机的效率，发现当采用相同的较高电源电压时，电机效率低，但 电机对电源电压较敏感，电源电压降低后，电机效率可提高，但电压在额定值附近时 电机的效率是低于硅钢片电机的。本文设计了一台额定功率为 ，额定转速为 的双转子单定子轴向磁通永磁电机。采用 软件建立电机的三维有限元仿真模型，对定转子分别采用硅钢片材料和 材料进行了仿真，并对比了不同情况下电机性能。考虑了不同频率对两种材料铁耗的影响，最后获得了电机的优选方案。定子无磁轭分块轴向磁通电机 电机主要尺寸方程确定针对轴向磁通永磁电机，首先要根据电机功率尺寸方程确定电机定子内外径长度。电机功率尺寸方程为：（）（）（）式中，为电机的输出功率；为电机极对数；为电机运行的效率；为电功率波形的系数；为绕组系数；为扇形永磁体的极弧系数；为气隙磁通密度；为电机的电负荷；f为电机频率；为定子铁心内径与外径的比值，即。电机设计要求轴向磁通电机设计所确定的电磁方案参数见表。表电机设计基本参数参数数值额定功率 峰值功率 额定转速（）峰值转速（）额定转矩（）峰值转矩（）定子槽数 转子级数 根据表中的参数，在 软件中建立的仿真模型如图所示。该电机为相 槽 极无磁轭分块电机，基于电机结构的对称性，采用了模型进行分析，以缩短计算时间。该电机采用双转子单定子结构，双转子盘上对应的永磁体为 极、极交替排列结构，且采用轴向充磁的扇形永磁体；定子由互相独立的 个铁心及其上的线圈构成，各线圈连接成三相对称绕组。电机性能仿真与常规径向电机相比，轴向磁通电机体积更小、功率图 1 无磁轭轴向磁通永磁电机模型电机转子永磁体定子铁心及绕组密度更高、结构更紧凑。采用无磁轭分块铁心定子结构的轴向磁通电机代替传统的径向电机，不仅降低了电机的嵌线难度、缩短了电机的定子铁心长度，而且提高了电机的转矩密度和功率密度，简化了电机的装配和制造。为验证该电机结构的有效性，采用三维有限元仿真的方法对电机的基本性能进行了仿真计算，得到的仿真结果如图所示。电机空载反电势的有效值为 ，畸变率为 ；电机在 电流、频率下的转矩为 ，达到了额定值 的要求，转矩脉动为；电机在 电流下的峰值转矩为 ，达到了峰值转矩 的要求，转矩脉动为。可见，无磁轭分块铁心定子铁心轴向磁通电机的额定工况和峰值工况的转矩性能都较好，符合车用电机的要求，但电机的定子铁耗较大，特别是在峰值工况下，电机的铁耗为 ，较大，会导致电机效率降低。空载反电势/V0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0250200150100500-50-100-150-200-250时间/ms（a）空载电动势波形额定转矩/(Nm)94939291908988878601234时间/ms（b）不同工况下的转矩波形时间/ms01234额定铁耗/W1000800600400200010008006004002000峰值铁耗/W峰值损耗额定损耗（c）不同工况下的铁耗波形图 2 无磁轭分块结构电机性能仿真不同频率不同材料下电机损耗分析 电机的铁耗分析电机的铁耗为：理论研究电工技术中国电工网.（）式中，为铁心材料的最大磁感应强度；、分别为磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗；、分别为铁心材 料 的 磁 滞 损 耗 系 数、涡 流 损 耗 系 数 和 附 加 损 耗系数。由式（）可知，电机的铁耗为磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗的总和。电机频率对铁耗的影响较大，特别是电机的涡流损耗，与频率的平方成正比。当电机的频率较高时，电机的涡流损耗较大。由于 材料的涡流损耗系数很小，因此在高频下选择 材料作为电机的材料可发挥软磁复合材料的优势，以有效降低电机在高频下的涡流损耗，进而降低电机的总铁耗。下电机不同材料铁耗分析在 电流、频率条件下，电机的转矩和铁耗仿真计算结果如图、表所示。图中，电机的定子、转子铁心都采用硅钢片材料；电机的定子铁心采用硅钢片，转子铁心采用；电机的定 子 铁 心 采 用，转子铁心采用硅钢片；电机的定子、转子都采用。图 3 不同材料电机转矩和铁耗仿真时间/ms01234电机 2电机 3电机 4电机 1转矩/(Nm)1009590858075（a）额定工况转矩时间/ms0123410008006004002000铁耗/W电机 2电机 3电机 4电机 1（b）额定工况损耗表不同材料电机的性能仿真结果参数电机电机电机电机定子铁心硅钢片硅钢片 转子铁心硅钢片 硅钢片 电流 频率 转矩（）铁耗 由图可知，电机的平均转矩为 ，铁耗最高为 ；电机的平均转矩为 ，铁耗为 ；电机的平均转矩为 ，铁耗为 ；电机的平均转矩为 ，损耗为 。电机与电机相比，转矩大，铁耗低 ；与电机相比，转矩大，铁耗低 ；与电机相比，转矩大 ，铁耗低 。可见，电机的转矩与电机最接近（相差），且损耗大于电机（相差 ）。电机不同频率下铁耗分析经过对比分析，为了保证电机获得较大转矩的同时具有较小损耗，对定子采用硅钢片、转子采用 材料的电机和定子、转子都采用硅钢片的电机在不同频率下的铁耗作进一步分析。图为定子采用硅钢片、转子采用 材料的电机（以下简称 电机）及定子、转子都采用硅钢片的电机（以下简称硅钢片电机），分别在频率为 、时，额定工况与峰值工况下的电机铁耗仿真计算结果。铁耗/W10008006004002000400 Hz500 Hz600 Hz 硅钢片 SMC（a）160 A 额定工况铁耗/W400 Hz500 Hz600 Hz 硅钢片 SMC（b）210 A 峰值工况图 4 不同频率下电机铁耗性能仿真10008006004002000由图可知，电机运行在额定条件下，当电机频率在 时，硅钢片电机铁耗比 电机低 ；当电机频率在 时，硅钢片电机铁耗比 电机低。电机运行在峰值工况下，当电机频率在 时，硅钢片电机铁耗比 电机低 ；当电机频率在 时，硅钢片电机铁耗比 电机低 。对比结果表明，随着电机频率的增大，电机的铁耗接近于硅钢片电机。结语本文分别选用了硅钢片及 两种材料作为轴向磁通电机的定子、转子铁心，应用有限元仿真软件进行了不同工况、不同频率下的仿真，并对比计算了不同频率下的铁耗，得出了如下结论。（）电机定子、转子材料均采用硅钢片时电机的转矩最大，电机定子材料为硅钢片、转子材料为 时电机铁耗略高于硅钢片电机。（）定子材料采用硅钢片、转子材料采用 的电机，可保证电机转矩达到额定转矩。（）当电机的运行频率为 时，转子 电机与转子硅钢片电机的铁耗相近；随着电机运行频率的增大，电机的损耗接近于硅钢片电机。参考文献 ，（）：徐衍亮，徐龙江，高启龙 无轭分块电枢轴向磁场永磁电机的尺寸方 程 与 磁 网 络 模 型 电 机 与 控 制 学 报，（）：（下转第 页）电工技术理论研究 中国电工网通常 小于。可通过将 电容沿轴旋转 安置，或将扼流圈沿轴旋转 安置来减小互感，实现插入损耗性能优化，如图 所示。旋转后 电容受扼流圈耦合的磁通更少且耦合到 电容的磁通方向相反，互相抵消。与旋转 电容的方法相比，旋转扼流圈的方法则是为了让同一个绕组的耦合相互抵消。（c）扼流圈绕组旋转 90（b）X 电容旋转 90（a）正常安置互感耦合示意图M1M3M2M4图 11 X 电容和扼流圈摆放示意图针对这两种方法，分别在样机上进行测试。旋转电容测试结果如图 所示，旋转扼流圈测试结果如图 所示，其中灰线为正常摆放时测试的差模骚扰电压，黑线为改进后的差模骚扰电压。旋转电容后在 频段、旋转扼流圈后在 频段内差模骚扰电压均获得了最大 的衰减，证明了优化方法有效。图 12 X 电容旋转前后的差模电压测试对比结语本文针对空调电源 滤波器，分析了单级滤波器低频谐振产生机理和谐振的主要影响因素，给出了抑制谐振的方法。基于阻抗测量和曲线拟合，提取了滤波器关键图 13 扼流圈旋转前后的差模电压测试对比元器件高频参数，考虑器件耦合参数，建立了 滤波器全电路宽频带等效模型。仿真结果和测试结果吻合，证明了模型的准确性。基于模型和谐振分析，提出了通过旋转 电容和扼流圈优化滤波器性能的方法。实际测试结果证明旋转 电容后在中低频频段、旋转扼流圈后在中高频段内滤波器对差模干扰电压的抑制效果均得到了优化。参考文献 ，（）：赵隆冬，毛军磁性材料在 滤波器中的应用电子元器件应用，（）：，陈恒林，陈玮，冯利民，等基于阻抗测量的共模扼流圈高频建模电工技术学报，（）：张羽枭，杜明星，王颖丽基于差模阻抗频变特性的共模扼流圈宽频建模电子元件与材料，（）：陈浩，胡耀威，王磊，等基于共模扼流圈高频模型的 的 滤波器设计机电工程，（）：，刘胜，张玉廷，于大泳基于频变参数辨识的共模扼流圈集中参数模型中国电机工程学报，（）：罗广孝，黄珊，陈文颖，等考虑电感频变特性的共模扼流圈全电路建 模 及 参 数 提 取 中国电机工程学报，（）：，（）：（上接第页）窦一平，郭有光，朱建国 软磁复合材料在电机中的应用电工技术学报，（）：，（）：，（）：，（），：电工技术理论研究