软磁复合材料铁芯电机特性的仿真研究

李文华，刘 娇，李建刚

（辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新123000）

软磁复合材料铁芯电机特性的仿真研究

李文华，刘 娇，李建刚

（辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新123000）

为了发挥软磁复合材料的高电阻率，低损耗，易于再利用的特点，仿真模拟将其应用在永磁电机的铁芯上.以12 槽4极直流电机为仿真对象，把三维计算问题转化成二维模型，用JMAG软件对电机进行建模，阐述SMC与硅钢片铁芯差异，先用两种材料进行仿真，结果说明只靠替换铁芯材料对电机性能改进并不会产生很大改善，改进模型，得出不同延伸高度铁芯延伸长度增加引起的电流和转矩特性与功率变化的关系.利用所建模型将Somaloy500的软磁复合材料与50CS800的硅钢片制备的铁芯进行模拟实验，结果表明：相同条件下软磁复合材料铁芯的效率要更高一些.最低转速时效率增加5％，最高转速时效率增加10％；软磁复合材料铁芯模型抑制电流输出，各向同性的优势明显.结论为SMC材料在低转速电机的开发中依旧能够发挥优势，实现电机性能的提高.

软磁复合材料；硅钢片铁芯；建模；模型改进；机械特性

软磁复合材料（SMC）主要是运用雾化铁粉进行绝缘化加工形成的一种新型复合磁性材料，通过混合—压制—热处理—树脂覆盖的流程进行加工而成.材料的物理性质决定它非常适合作为电机的铁芯材料［1-2］.作为新型磁性材料，SMC具有硅钢片材料无可替代的优势之处：能够更好的利用电机内空间，实现真正的加工自如；具有较高的电阻率，能够有效降低高频下的损耗［3］；具有三维磁气的性质，几乎不存在磁隙间的损耗；由于其粉末绝缘的性质，其内部涡流形成的路径很短，能有效减少发热带来的损耗［4］；加工时材料浪费比硅钢片材料要少很多，实现材料的再利用［5］.

1 建模过程

JMAG是日本JRI公司开发的方便易懂、功能健全的电磁场分析软件，为电机的仿真提供了非常完备的物理模型［6］.本文的仿真对象是12槽4极直流电机，不考虑Z轴方向磁场的变化，把三维计算问题简化到二维系统中进行.由于气隙及永磁体的导磁率，认为磁势全部消耗在气隙和永磁中，定子铁芯区域的磁导率设为无穷大；定子、转子为本文研究材料Somaloy500，与其相对比的硅钢片材料50cs800；根据并励直流电机的工作原理［7］，设置分析类型为瞬态分析；对于运动设置，利用JMAG软件窗口中的Condition-Crate Condition，对线圈的匝数、电阻、转速、转矩和分析步长进行设置，FEM线圈与电刷元件采用并联方式连接，采用自适应方法生成网络细分电机模型，为达到精确计算出结果的目的，本文模型在径向划分数为7，周向划分400，使每一元素跨0.167度机械角，定子和转子间的间隙就划分为四边形网格.基于上述步骤，电机的建模过程结束［8-9］.

2 模型改进

2.1SMC与硅钢片铁芯差异

本文永磁直流有刷电机永磁体类型为N30，相对磁导率μr=1.045，剩磁密度为Br=1.1 T.软磁复合材料与硅钢片铁芯材料与性能如表1所示，软磁材料的矫顽力较硅钢相对较低.为有效观察硅钢片铁芯和软磁复合材料铁芯的差异，我们在电机频率100 Hz，电源电压12 V，转速3 000 r/min的条件下对其各种特性差异进行仿真，结果表明二者的平均电流与转矩曲线也基本保持一致并没有非常明显差异.这说明只靠替换铁芯材料对电机性能改进并不会产生很大改善［10］.

表1　软磁材料和硅钢材料的性能数据Table 1 Performance data of soft magnetic materials and silicon steel

2.2SMC铁芯转子三维模型结构改进

软磁复合材料具有三维磁场设计的特性，通过单一的改变铁芯材料是很难对电机特性有非常明显的改变，因此将转子的外端齿形部分沿Z轴方向进行延长，提高与永磁体和线圈的接触面积，达到使电机的输出功率上升的目的.为充分验证实验外端延伸对模型性质的影响，将带有Somaloy500材料的模型分为6组，分别将延伸高度定为0，2，4，6，8，10 mm，其解析条件都是相同的电源电压12 V，转速3 000 r/min.其他参数也都相同，经过软件仿真得出6组转矩曲线和电流曲线如图1和图2所示［11］.

图1　铁芯延伸增加引起的电流和转矩特性变化Fig.1 Change of current and torque characteristics caused by the increase of iron core

图2　铁芯延伸增加引起的功率特性变化Fig.2 Change of the efficiency characteristic caused by the extension of the core

从图中可以看出不但电机转矩有所增加，而且线圈电流有所下降.减少了热量的损耗，使效率值上升.由此可看出对转子的齿端进行模型改进能够有效的发挥软磁复合材料的各向同性的性质，即使在低转速低频电机中依然能够提高性能.

如图3和图4所示分别是转子齿端延伸长度为0 mm和延伸长度5 mm时转子模型的仿真磁通密度分布图.从图中可以看出：红色表示磁通密度较大，主要分布在转子齿槽间，蓝色表示磁通密度较小，主要分布在中轴部分.两幅图比较看出带有转子齿端延伸模型的红色区域明显比不带齿端延伸的转子要多，特别是在齿槽部分和转子轴部分，即磁通密度有所增加［12］.

这主要是因为带有齿槽延伸的模型与永磁体和线圈接触面积增大，从而使其轴部磁通比齿形部分更容易通过.磁通密度与电动势成正比，当磁通密度上升时电机的输出功率也相应上升［13］.通过仿真可以看出，带有外部延伸的模型能够实现转矩的上升，电流的下降和效率上升的效果.

图3　铁芯延伸为0 mm模型的转子磁通密度分布Fig.3 Rotor flux density distribution of 0 mm model with iron core

图4　铁芯延伸5 mm模型的转子磁通密度分布Fig.4 Rotor flux density distribution of the core 5 mm model

3 模型改进前后的特性比较

通过改变电机三维机构，可以提升电机的性能.重新将带有齿端延伸结构的软磁复合材料铁芯和硅钢片铁芯进行比较，观察在不同的电源电压和转速下二者的性能差异.解析研究对象选取的模型为齿端外伸5 mm的模型，两种材料均采用同一模型进行仿真，分别输入两种材料的电阻率等表1中的参数.解析条件范围中电源电压分为4，6，8 V的3组，转速定分为500，1 000，1 500，2 000 r/min的4 组.分为12组，一共要分别记录下这12组仿真的平均转矩和效率值结果如图5和6所示.

相同条件的情况下，软磁复合材料相比硅钢片铁芯，输出更高的转矩.例如取电源电压8 V，转速500 r/min条件下所获得的最高转矩.软磁复合材料铁芯则是硅钢片铁芯的1.5倍.如图7和图8中所示为电源电压分别为4、6、8 V下，效率和转速的特性曲线.从图中可以看出在相同的条件下软磁复合材料铁芯的效率要更高一些.最低转速时效率增加5％，最高转速时效率增加10％.

图5　软磁复合材料铁芯模型转速与转矩的关系特性Fig.5 Relationship between the characteristics of SMC core model speed and torque

图6　硅钢片铁芯模型转速与转矩的关系特性Fig.6 Relationship between properties of silicon steel core model speed and torque

图7 软磁复合材料铁芯模型效率与转速的关系特性Fig.7 Relationship between efficiency and speed of the core model of SMC

图9和图10中分别为在电源电压为4、6、8 V下，电流和转速的特性曲线.从图中比较看出在条件相同情况下，软磁复合材料铁芯模型的输出会抑制电流，使输出转矩在相同的条件下更高.

实验结果表明，即使在低转速运行状态下，通过改进转子模型实现对磁场空间的充分利用能够有效的提高电机运行的性能.证实了软磁复合材料的各向同性优势很明显.

图8　硅钢片铁芯模型效率与转速的关系特性Fig.8 Relationship between efficiency and speed of silicon steel core model

图9　SMC铁芯模型电流平均值与转速的关系特性Fig.9 Relationship between the current and the speed of the core model of SMC

图10　硅钢片铁芯模型电流与转速的关系特性Fig.10 Relationship between input current and rotational speed of silicon steel core model

4 改进SMC铁芯电机机械特性

4.1机械特性

机械特性的方法除了用硬度来表示，也可以用堵转转速来表示.堵转转矩Tk是当n=0时的电磁转矩，求法如式（1），

其中堵转电流Ik=U/R因此机械特性方程就变成式（2）

本文采用SMC铁芯替换硅钢片铁芯，试图通过人为改变电机铁芯的磁通属性来改变其电机的机械特性.从结果上看出，SMC铁芯电机的堵转转矩要大于硅钢片铁芯电机［14］.

4.2启动特性

软磁复合材料somaloy500的电阻率远大于硅钢片铁芯电机.因此在相同结构条件下，somaloy500材料电机的电阻值要大于硅钢片电机，导致起动转矩要比硅钢片的要大，所需要的起动电流也大.这样的变化对于小型直流电机的起动来说没有区别；但是对于大型直流电机来说，就不能采取直接起动的方式了.

4.3制动特性

机械特性如式（3）

其中R—制动电阻.通过改变制动电阻R可以改变制动特性曲线.R越小，制动转矩就越大，制动的效果越好.但是制动转矩和制动电流不能太大，否则会给系统带来损害.因此我们通常限制最大制动电流不能大于2～2.5倍的电流.即如式（4）［15］

由于SMC铁芯电机的起动转矩要高于硅钢片铁芯电机，因此SMC电机在实机制动时，需要更高的制动转矩来制动.

4.4转速特性及转矩特性

当电压为定值时，转子的转速n与电流I间满足转速特性.由电压平衡方程式得下式

SMC铁芯电机在保持电磁转矩提高的同时又能有效控制电流，减少铜损和铁损［16］.

如图11是SMC铁芯电机与硅钢片铁芯电机在电压源8V情况下功率特性图，从图中可以看出SMC铁芯电机的最大输出功率要高于硅钢片最大输出功率.从转速特性和效率特性中可以看出经过模型改进的SMC铁芯电机能有效的发挥特性优势［17-18］.

图11　功率特性Fig.11 Power characteristics

5 结 论

对SMC材料铁芯电机模型和硅钢片材料铁芯电机性能进行仿真和计算，讨论只改变材料情况下软磁复合材料与硅钢片材料的性能差异，结果表明差异并不明显.因此提出对模型进行3D层面的结构改进，使改进后SMC材料铁芯能够发挥其材料的优质特性，从而实现提高永磁直流电机性能上升的目的.对改进后的电机的机械特性进行仿真，结果表明有一定的提升.因此从仿真的角度说明了在低转速电机的开发中依旧能够发挥SMC材料的优势，实现电机性能的提高.

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（编辑 张积宾）

Simulation research on the electrical characteristics of soft magnetic composite materials core

LI Wenhua，LIU Jiao，LI Jiangang
（Mechanical Engineering College，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China）

To develep high resistivity，low loss and re-usable characteristics of a soft magnetic composite material，Simulation was applied in permanent magnet motor core.Taking 4 pole DC motor as the simulation object，the three-dimensional calculation problem was transformed into a two-dimensional model，and the JMAG software was used to model the motor，and the difference between the SMC and the silicon steel sheet was expounded.Two types of materials were used in simulation，and it was found that the performance of motor can not be improved by just replacing iron core material.The relationship between the current and torque characteristics and the power change caused by the increase of the extension length of the iron core is obtained by improving model.Using the built model to simulate the Somaloy 500′s soft magnetic composite material and 50CS800 silicon steel sheet，the results show that the efficiency of soft magnetic composite material is higher under the same conditions.The minimum speed efficiency was increased by 5％，while the maximum speed efficiency was increased by 10％；soft magnetic composite core model suppress the current output，showing a clear advantage.Conclusions show that SMC materials in the development of low-speed electric machine are still able to play to the advantage to improve motor performance.

soft magnetic composite material；silicon steel core；modeling；improved model；mechanical properties

TM313

A

1005-0299（2016）04-0092-05

10.11951/j.issn.1005-0299.20160414

2016-03-01.

李文华（1964—），男，博士生导师.

李文华，E-mail：305827994@qq.com.