基于SMC材料和Halbach磁路的电机设计与优化

黄平林,施慧明

(1.江苏大学，镇江 212013；2.腾达电动科技镇江有限公司，镇江 212013)



基于SMC材料和Halbach磁路的电机设计与优化

黄平林1,施慧明2

(1.江苏大学，镇江 212013；2.腾达电动科技镇江有限公司，镇江 212013)

开发了一款基于软磁复合材料(SMC)的电动机，为减小高频时的铁心损耗，电机的定子铁心采用软磁复合材料一次加工成型，转子采用Halbach磁路结构，通过有限元分析，对转子磁轭厚度进行了优化，实现了电机转子的轻量化设计。经样机试验验证，该电机各项性能指标与设计值吻合良好。

软磁复合材料;Halbach阵列;电磁设计;有限元分析

0 引 言

当电动机由于转速较高或极对数较多时，电机内部磁场变化频率也高，从而导致电机的铁心损耗增加，电机的效率下降[1]。在设计高速电机时，为尽量减小铁损，可以将电机的极对数设计得比较少，这样磁场的频率相对多对极时要低，但极数太少时同等功率的电机绕组端部变长，电机的积增大，使电机功率密度变低。对高转速电机，如何进一步提高其功率密度，是一个值得探讨的问题。文献[2]中论及可采用无铁心电机结构，电机的定子绕组为空心线圈，工艺上采用环氧浇注或PCB定子等，无铁心电机没有铁心，彻底消除了铁损，理论上可以实现电机的高效率和高功率密度。但事实上，因为电机没有铁心，定子线圈完全暴露于转子的永久磁场中，高速情况下，转子的永久磁场高频切割定子线圈，在定子线圈中产生较大的电涡流损耗，使电机铜耗增加，严重影响电机效率的提高。

针对上述问题，采用高频损耗小的铁心材料和优化电机磁场将是一个较好的解决途径。软磁复合材料(以下简称SMC)就是这样一种具有良好的导磁性能而且在高频条件下铁损远小于硅钢片的电磁材料。软磁复合材料通过在铁磁颗粒表面包覆电绝缘层，再通过粉末冶金工艺制备成电磁应用材料，可用于制作电机铁心。与传统的硅钢片叠压铁心相比，采用软磁复合材料制备电机铁心时，能获得一系列独特的性能，主要表现为磁性能的三维各向同性以及低涡流损耗和高频低损耗等，非常适合作为高速高频电机的铁心材料，而且使电机铁心的设计变得更加灵活，使高速电机在获得高效率的同时还能大幅降低电机的重量和体积，应用前景广阔[3-4]。

为进一步优化磁路结构，实现高速电机的高功率密度和转矩密度，本文在设计永磁转子时，采用了Halbach磁路阵列，以获得更高的永磁体利用率和更为轻量化的电机转子，文中还专门对Halbach阵列的轭部进行了优化设计，实现了电磁性能和机械性能的最佳结合。通过理论分析和样机加工，对以上设计理论进行了验证，并成功地将此款电机应用于电动工具中。

1 电机电磁设计研究

1.1 电机结构

本文开发的高速电机采用了径向磁路的外转子结构，定子铁心采用软磁复合材料一次加工成型，为减轻转子重量和有效利用磁场，转子采用Halbach磁路结构，仅用很薄的一层铁圈构成转子磁轭。电机结构如图1所示,电机设计参数如表1所示。

图1 电机结构图

表1 电机设计参数

1.2 SMC定子铁心设计与优化

SMC材料应用于电机中，与传统的叠片钢磁心相比，其优点主要体现在良好的各向同性、涡流损耗小、可整体成型、材料无损耗等方面，但SMC材料也存在明显缺点，如磁导率比硅钢片小、磁滞损耗大等。因此，在设计SMC电机时，需要综合考虑SMC材料的特性，扬长避短，使材料的性能得到更好的发挥。在高速电机中，电机旋转磁场的频率比较高，若采用硅钢片铁心，铁心损耗特性可描述为下式[5]：

式中右边的三项依次对应磁滞损耗、涡流损耗和异常损耗。

由式1可知，磁滞损耗随频率线性增加、涡流损耗随频率的平方线性增加，因此随着频率的增加涡流损耗在总损耗中的比重会迅速增加。为减小铁心损耗，在高频场合，考虑使用涡流损耗小的SMC材料是可行的。同时，考虑到SMC材料的磁滞损耗大于硅钢材料，根据式(1)，在设计电机时可适当减小磁场强度，使磁滞损耗控制在合理的范围。

本文中采用赫格纳斯公司的生产的Somaloy 500软磁复合铁粉材料制作电机的铁心，利用其块状原料直接整体加工而成。原料和加工成型后的定子铁心如图2所示。

图2 SMC原料及加工后的定子铁心

在样机加工过程中，为节省成本，铁心的制作没有采用SMC粉末压铸的工艺，而是利用材料厂商提供的SMC块料机械加工而成，因而加工过程中需要对加工的工艺进行严格的控制，如进行切削、车磨加工时，刀头的转速、进刀速度、冷却方式等都需要按照厂商的要求进行，否则会对材料的电磁性能产生影响。此外，块状的SMC材料机械加工性能较普通金属材料差，不当的加工方式将很难保证其加工精度。

考虑到SMC材料的三维各向同性，在对电机定子铁心进行优化设计时，铁心齿面还可设计成圆形或椭圆形，这样更方便加工，而且对绕线也有利，可避免铁心齿部边缘破坏漆包线的绝缘，并可获得更高的槽满率，进一步提高电机的功率密度。

1.3 Halbach阵列转子的设计与优化

Halbach阵列[6]是美国学者Mallinson 在1973 年对永磁体进行拼装实验时发现的一种奇特的永磁体结构,将不同充磁方式的永磁体按照特定的规律排列，可使永磁体一侧的磁场增强，而另一侧的磁场减弱[7-9]，同时使气隙磁场得到优化，使之更接近正弦形。

Halbach阵列是使永磁体的磁化矢量方向沿着排列方向连续旋转，每两个相邻磁化矢量存在90°、60°或者45°的夹角，对应的每极永磁体块数分别为2 块、3 块和4块。图3即为两个相邻磁化矢量夹角为90°时的Halbach阵列排布图，每个磁极由两块磁体组成。Halbach阵列的磁场强度:

图3 Halbach阵列

式中:Bm0是磁场的幅值;Br是永磁体的剩磁强度;β=2π/la;la是一对极的空间距离;nM是一对极包含的永磁体块数;hM是永磁体的厚度。理论上，永磁体块数越多，Halbach阵列产生的磁密波形正弦性越好，但会带来永磁体的安装和充磁的难度增加。

本文中，采用的Halbach 阵列每极由2 块永磁体拼装而成，结构简单，永磁体安装定位和充磁容易，转子磁路布置如图4所示。共采用20片永磁体，磁体厚度为3 mm，充磁方向互差90°，每4片构成一对磁极，组成一个5对极的永磁转子。利用式(2),计算得到磁场强度幅值为0.6 T。

图4 Halbach永磁转子

2 有限元分析

采用有限元软件，对上述电机模型进行有限元分析。分析过程中，SMC材料的磁化特性曲线直接引用了厂商提供的数据，如图5所示Somaloy 500 1P对应的数据。

图5 SMC磁化曲线

考虑到Halbach磁路的特点，电机转子可以无需铁轭，经有限元分析，得到无转子磁轭时空载条件下电机内部的磁场分布如图6(a)所示，电机气隙磁密沿圆周方向分布的波形如图6(b)所示，气隙磁场幅值在0.59 T和0.63 T之间，与通过式2计算得到的理论值0.6 T比较接近。由于转子永磁体没有磁轭，在磁体背面附近的空气中局部存在0.2 T大小的漏磁，这是Halbach阵列磁场减弱的一侧存在的漏磁场。

(a)内部磁密分布(b)气隙磁密波形

图6 无铁轭时电机磁场分布

当转子无磁轭时，永磁体阵列需要通过非导磁材料进行固定和安装，实施难度较大。此时，可考虑适当给Halbach磁阵列增加磁轭，起到对Halbach阵列一侧的漏磁场进行磁屏蔽的功能，同时铁轭还可方便磁体的安装和紧固，起到增强电机转子机械强度的作用。对于采用Halbach阵列的永磁转子，磁阵列背面的磁场已大幅度减弱，轭部不容易产生磁饱和，所以轭铁的长度不需要很大，在满足磁路需求的情况下，轭铁越薄电机重量会越轻。基于这一准则，采用有限元分析，可对铁轭的长度进行优化，本电机中，当轭铁厚度为2 mm时，获得最佳的机械和电磁效果。

图7是增加2 mm轭铁后电机内部磁场分布情况和电机气隙磁密沿圆周方向分布的波形。可见，由于增加了轭铁，Halbach阵列有效面的磁场进一步增强，磁场强度达到0.8 T左右，轭铁中磁场强度为1.5 T,在合理范围，轭铁外部的空气中已没有漏磁。

(a)内部磁场分布(b)沿圆周方向磁密分布

图7 增加铁轭后的电机磁场分布

3 样机测试

最终加工成的电机样机及其测试系统如图8所示。采用永磁无刷的控制方式对电机性能进行测试，空载条件下电机的端电压和相电流波形如图9所示。由于控制器采用三相六拍电压型脉宽调制输出，故图9(a)电机端电压为PWM波形，图9(b)电流波形中电流换向十分明显。采用磁滞测功机，对电机进行加载试验，测得电机的性能曲线如图10所示，电机额定效率超过80%，较好地实现了设计目标。

(a)样机实物(b)测试系统

图8 电机样机及测试系统

(a)端电压波形(b)相电流波形

图9 电机空载端电压和相电流波形(截图)

图10 实测电机性能曲线

4 结 语

(1)对SMC材料应用于电机时的特性进行了简要分析，并采用SMC材料设计并加工了一台高速电机的定子，表明应用SMC材料整体加工电机铁心是可行的。

(2)采用Halbach磁阵列，设计了电机的永磁转子，对电机磁路进行了理论计算和分析。

(3)采用有限元方法，对样机磁路进行了数值计算，同时提出了对Halbach阵列增加少量铁轭的方法，起到增强有效磁场、屏蔽漏磁，并方便磁阵列安装的多重功效。

(4)对样机进行了测试，测试结果良好，验证了以上结论的正确性，对此类电机的设计具有一定的参考价值。

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Research and Optimization of Motor Based on SMC Materials and Halbach Array

HUANGPing-lin1,SHIHui-ming2

(1.Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China； 2.TENDA Electric Drive Technology Co.,Ltd.,Zhenjiang 212013,China)

In this paper an electrical machine was developed，the stator of the motor was manufactured with soft magnetic composite (SMC) materials in order to reduce the losses of iron at high frequency, and the PM rotor had Halbach array.By finite element analysis the thickness of the yoke was optimized, these made the motor lighter.And finally the motor was manufactured and the experimental test was conducted．The test results supporting conclusions from analysis were given．

soft magnetic composites; Halbach array; electromagnetic design; finite element analysis

2016-03-03

江苏省自然科学基金项目(BK20141290)；江苏大学高级人才科研启动基金项目(15JDG090)

TM351

A

1004-7018(2016)09-0011-04

黄平林(1976-),男，博士，高级工程师，从事机电控制技术以及特种电机设计的研究。