浅谈软磁复合材料在电机中的应用

刘倚汛 四川省雅安中学

软磁复合材料是冶金技术当中将预先混合的高纯度绝缘层铁粉与有机材料相互融合，通过模压形成的特殊材料。在近些年的发展过程中，电磁装置中传统的硅钢片可以被软磁复合材料所替代，因此软磁复合材料也常常在电机当中应用。相较于传统材料，软磁材料的加工方法特殊，不需要进行二次加工，能够直接投入生产和使用，极大程度地节省了电机制造的成本，深受电机研究者的青睐。

1 软磁复合材料环形绕组电机的应用

软磁复合材料最早应用于电机制造和生产始于1995年。英国学者在进行环形绕组电机的设计的时候，创新地将软磁复合材料加入到了电机设计之中，当时所设计的电机为双转子轴的磁通环形绕组电机，研究人员在进行电机设计的时候，分别对比了软磁复合材料与传统硅钢片在作为电机使用材料的优劣后，抛弃掉传统的硅钢片材料，改用软磁复合材料进行设计。在第一批电机当中，软磁复合材料的应用使得设计频率较高的电机拥有更好的工作效率。这是由于与传统的硅钢片相比，软磁复合材料由于具有氧体和非晶合金的特点，在使用的过程中，涡轮损耗更低，在高频率的电机中能够在一定程度下降低铁心的损耗。这一研究成果使得软磁复合材料在电机设计和电机生产当中的应用价值第一次被挖掘出来，并呈现在生产行业之中。

2 软磁复合材料在新型爪极永磁电机中的应用

随着软磁材料的应用越来越普遍，更多的电机设计者和研究者投入到设计和生产当中。加拿大著名学府laval大学的研究人员在对集中式绕组分数槽的有刷电机进行研究中，发现了软磁复合材料作为其铁心相较于传统分布式绕组电机有着更高的转矩和用铜量，因此基于这一特点，研究人员设计了基于软磁复合材料的新型爪极永磁电机拓扑结构。在新型的电机当中，电机通过三个模块实现功能，同时使轴向长度大幅度缩短，实现了三个模块之间安装的绕组设计提升了电机的性能。

3 软磁复合材料在铁心步进永磁电机中的应用

日本研究者于2014年在对传统步进电机进行研究和改进的过程中，发现了运用软磁复合材料进行外扩的设计方法，通过软磁复合材料的使用可以使电机部件当中的定子齿顶部以及定子轭部能够在一定程度上实现外扩，从而使电机使用的效率大幅度提高，并且保证了在低速状态运行下的软磁复合材料的应用能力和应用价值，是现阶段软磁复合材料又一项具有突破性的应用发展。

4 软磁复合材料的使用分析

在对应用软磁复合材料进行设计和生产的电机进行分析研究后，本文从损耗和性能两个方面对软磁复合材料电机进行了总结。

首先在损耗方面，本文所选用的软磁复合材料电机为爪极永磁电机，铁心铁损600rpm的时候，其功率约为27W，铁损达到1800rpm时，功率约为91W，通过曲线图可以看出，软磁复合材料的电机设备拥有更低的损耗。

在性能方面，本文将软磁复合材料电机设备与其他类型的传统电机设备相比较，在进行电压限定之后，对两部电机的运行情况进行观察，结果显示，额定转速、额定电压和额定负载之下，软磁复合材料电机设备效率达到83.62%，相较传统设备高出13.6%，性能更好。

5 软磁复合材料在多层优化设计中的应用

在软磁复合材料在电机生产设计中的特点和优势被提出后，越来越多的研究者在电机生产过程中开始使用软磁复合材料进行电机的设计和应用。例如在铁心电机多层优化当中，研究者也提出了软磁复合材料的应用方案。在传统的电机优化当中，当设计到高维优化的设计问题时，通常需要将不同材料的参数进行统一，因此在计算时，计算成本高、计算量巨大，消耗时间。但是在使用软磁复合材料的铁心电机当中，就可以通过有限元的方式进行遗传算法迭代，从而实现对参数的优化。

首先，设计人员可以对变量和输出结果之间存在的关联度和敏感度进行分析，在软磁复合材料的电机当中，初始变量的设计一般可以分为三层，再通过子集合的方式，将变量分为X1、X2和X3三个部分，其中，子集合X1拥有较高的敏感度参数，因此在对其进行优化时，需要保证其他两个子集合的变量固定不变。而在对另两个敏感度相对较低的子集合进行优化时，同样需要保证X1子集合的变量固定不变，通过多次优化，实现目标函数的收敛条件满足，最后输出优化结果。

在软磁复合材料电机中，定子内径、定子外径、气隙长度、绕组匝数等重要参数都能够快速准确的得到确定，并根据优化方法进行敏感度辨别和集合确定，最终实现对于电机参数的多层优化。

随着软磁复合材料的应用范围逐渐扩大，越来越多的电机设备在进行设计和生产时选择使用软磁复合材料。通过对比也可以看出，软磁复合材料的电机设备拥有更好的性能和更低的损耗，符合现阶段节能社会的需求。

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