SMC软磁复合材料永磁同步电机性能研究

孔德财 赵国新

【摘 要】 SMC软磁复合材料由于其特殊性能，目前在高速电机中有着广泛应用前景。通过研究了定子材料分别为SMC和DW470的18槽16极永磁同步电机在不同频率下的的铁耗，比较两种材料电机的铁耗情况。进一步分析了两种材料电机的反电动势、气隙磁密、和齿槽转矩等情况，总结SMC材料电机的优势和劣势。通过比较发现，在低转速下，DW470电机铁耗较小，在高转速下，SMC电机铁耗较小，并随着频率进一步增大，SMC电机铁耗增加值明显小于DW470电机，在高转速下更有优势。SMC永磁同步电机气隙磁密较小，幅值为1.1093T。在相同频率下，SMC电机空载反电动势较小。

【关键词】 软磁复合材料 有限元法 铁耗 正交分解法 空载铁耗 变系数

一 引言

SMC材料由于铁粉颗粒有绝缘层，能有效的阻止涡流电流，所以涡流损耗很小。在高频涡流损耗占据总损耗很大比重，由于绝缘层降低了涡流损耗，所以涡流损耗的减小对高转速时电机总铁耗的降低具有总要意义[1][2]。并且SMC材料也有一些其他优势，如热各向同性、电阻率更高等优点。但是SMC材料也有一些不可避免的缺點，如磁滞损耗高、磁导率低、易碎等。因此要充分发挥它的优势，避免它的劣势。

电机铁耗的计算方法有很多，但是电机内磁密变化过于复杂。传统的三项式法，把铁耗分为磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗，把所测得的铁耗数据进行非线性拟合，然而高频下拟合数据和实验数据相差较大。本文在充分考虑磁密大小、频率、谐波、旋转磁密对铁耗的影响下，提出一种变系数正交分解铁耗计算方法 [3]。

二 电机设计

本人结合永磁同步电动机设计理论，针对SMC材料的物理化学性能，设计出两台定子材料分别为SMC和DW470的永磁同步电动机，极对数p=8、定子槽为18槽永磁体为径向内置式、额定转速n=3000n/min、额定功率P=1kw。然后运用Ansys有限元软件进行建模仿真。

三 空载特性比较

（一）空载铁耗的计算

铁耗计算公式有很多，但如何能够更准确的计算铁耗一直是学者研究的热点，本人综合众多铁耗公式，总结出了一种变系数正交分解铁耗计算公式，此公式不但考虑了磁密变化对铁耗拟合系数的影响，还考虑了各谐波和非正弦波对铁耗的影响。传统铁耗模型为：P=khfBa+kef2B2+kaf1.5B1.5（1） 。kh、a、ke、ka分为磁滞损耗、涡流损耗、附加损耗系数。通常根据铁耗曲线拟合为常系数，然而由于这种拟合误差度较大，本文采用变系数拟合方法，用1stopt软件，把a、ke、ka三个系数看做磁密B的函数，a=K1+k2*B+K3*B2+K4*B3， ke=K5+k6*B+K7*B2+K8*B3， ka=K9+k10*B+K11*B2+K12*B3把这三个公式代入公式（1）里，通过1stopt软件求解出各个系数值。然后考虑在永磁同步电机中，电机每部分的铁耗不是正弦变化的而是椭圆变化的，包括径向磁密和切向磁密，所以电机每一点的磁密分解为径向和切向磁密，然后用傅里叶分解为基波和各次谐波。

本文设计额定功率为1KW的两个电机，永磁体材料为N38SH，定子材料分别为SMC和DW470。通过变系数正交分解和有限元法测得的DW470电机和SMC电机的铁耗。DW470初始低转速阶段铁耗较小，SMC铁耗相对较大。随着转速的增加，SMC材料电机铁耗增长速率较低，在2800n/min时两者铁耗相等，随着转速的逐渐增加，两者铁耗值差距逐渐拉大。在高转数下SMC材料电机的铁耗值远远低于DW470电机铁耗值。

进一步分析SMC和DW470两台永磁同步电机磁滞损耗和涡流损耗，随着转速的增加，铁耗也进一步增加，但SMC电机磁滞损耗和涡流损耗增加都比较缓慢，而DW470电机涡流损耗增加很快。随着频率的增加，DW470电机总铁耗逐渐大于SMC电机铁耗。

（二）空载反电动势

对两台样机进行空载反电动势有限元仿真计算和实验，实验测试结果和仿真结果误差较小。根据实验所测得的数据，在相同频率下，DW470电机反电动势大于SMC电机反电动势。

（三）气隙磁密分析

采用Ansys有限元软件对电机气隙进行磁密计算，SMC电机气隙磁密幅值1.1093T，DW470电机气隙磁密幅值为1.2542T， DW470电机气隙磁密比较大，两者相差12%左右。

四 结论

本文通过对两台定子材料分别SMC软磁复合材料和DW470材料永磁同步电机进行变系数正交分解铁耗计算和有限元仿真，得出如下结论：

（1）SMC电机与DW470电机比较得出，由于SMC材料磁滞损耗随频率增加较缓慢，SMC电机适合在400HZ以上条件下应用。频率越高，SMC电机优势越明显。

（2）由于SMC软磁复合材料磁导率较小，SMC样机气隙磁密幅值要比DW470样机磁密幅值小11%左右。相同频率下SMC电机反电动势较小，两者相差20%左右。

【参考文献】

[1] 窦一平，郭有光，朱建国.软磁复合材料在电机中的应用[J].电工技术学报，2007，11（22）：46-51.

[2] 乔家钟.铁粉软磁复合材料开发及其在电机上的应用.金属功能材料，2002，9（3）：19-25.

[3] 孔晓光. 高速永磁电机定子损耗和温升研究[D].沈阳工业大学，2011.

作者简介 ：孔德财（1987-），男，沈阳工业大学，硕士研究生，研究方向：电机与电器。

赵国新（1979-），男，沈阳工业大学，讲师。研究领域：永磁电机的基础理论研究与设计研究。