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無鐵心與軟磁復合材料永磁電機研究綜述--趙勇,黃文新,劉賽德

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文章附圖

摘要近年來,無鐵心電機和軟磁復合材料水磁電機受到了越來越多研究人員的關注,提升了電機在體積、重量以及轉矩密度、功率因數甚至成本等方面的優勢,并已有大量文獻對兩種類y水磁電機的設計和應用進行了深人研究。本文對國內外無鐵心電機和軟磁y合材料電機研究現狀進行了總結和歸納,介紹了無鐵心電機的主要類型,繞組以及永磁體的排布方式,分析了永盛體排布和尺寸對電機氣院做密的影響,介紹了軟磁復合材料的基本磁性能。應用的主要礎路結構類型和必要的鐵損分析,最后總結展望了兩種類型電機的相關技術研究發展方向。

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近年來,永磁電機一直是電力電子應用領域的重點研究對象。在全球普遍出現環境污染和能源問題的同時,永磁電機因為具有高效率、高功率密度、高轉矩密度等優點被廣泛用于航空、艦船、電動汽車和家電等領域。然而,隨著電力電子技術以及電機設計和控制理論的日益發展和完善,傳統結構永磁電機的研究已經相當成熟。

傳統永磁電機中,電機內部磁場的建立由永磁體磁場和定子電流產生的磁場共同完成,該磁場的強弱與電機的體積、重量密切相關,為得到理想的功率密度和轉矩密度,電機設計時鐵心均選用高導磁率的硅鋼片疊壓制成,能夠起到大幅減小電機磁路磁阻的作用。這種常規電機有體積、重量較大,損耗較大,以及電磁噪聲響的問題,其中鐵心重量占電機總重量的60%左右,鐵心損耗占電機總損耗的30%左右,鐵心齒槽更是電機噪聲的主要來源,這些不利因素對永磁電機在特定場合下的應用產生了限制,影響很大。

      采用塑料、非導磁合金、環氧樹脂等非導磁材料作為電機結構件,替代硅鋼片鐵心,結合釹鐵硼等永磁材料的高矯頑力特性制成無鐵心電機,可以在較大幅減小電機重量、體積和噪聲的同時,提高電機效率、減小電機轉動慣量、加快響應速度、拓寬變速范圍,還可延長電機壽命。然而無鐵心電電機的有效氣隙長度卻遠遠增大,磁路磁遠大于有心電機,在相同氣院磁密條件下,需要改進無鐵心電機機的永磁體排布方式或增加永磁體厚度,但會造成永磁體用量增加,結果往往是電機性能得到優化的同時成本增但會造成永磁體用量加在某些場合可能會起到相反的作用。,軟磁復合材料電機應運而生,SMC種新型復合磁性材料,由相互絕緣的微小鐵粉顆粒組成 。相比于傳統硅鋼片電機,SMC電機可以采用模壓等方式直接制作成電機鐵心,不需要另外加工,材料利用率高;而相比于無鐵心結構,SMC電機具有更強的導磁能力,電機的成本低。因此,SMC永磁電機已經吸引了眾多專業人員的目光,可以彌補無鐵心電機在一些特殊應用領域的不足,正逐漸成為永磁電機研究的個重要方向。

本文在對國內外無鐵心電機和SMC永磁電機相關文獻閱讀的基礎上,對兩種電機的研究現狀進行了介紹和歸納。首先,以定子無鐵心和轉子無鐵心兩種形式對無鐵心電機進行討論,論述了兩種類型電機的主要結構和形式,電機采用無鐵心結構后的工藝特點;然后分析了無鐵心電機永磁體對氣隙磁密分布的影響,包括永磁體的排布方式、幾何尺寸和制造工藝幾個方面;針對無鐵心電機可能帶來的成本劣勢,指出SMC電機設計應用的研究價值:介紹了SMC材料的優點,性能以及在幾種主要電機上的研究現狀,并指出SMC電機鐵心損耗分析計算的重要性。


1 鐵心電機

      與傳統永磁電機相比,   無鐵心電機是指不用或著少用硅鋼片為鐵心,而改用塑料、陶瓷或者環氧樹脂等非導磁材料的永磁電機。根據取代的結構不同,可以將無鐵心永磁電機分成如下種形式
(1)定子為有鐵心結構,轉子無鐵心。

(2) 定子為無鐵心結構,轉子有鐵心。

(3)定子轉子均無鐵心。
針對上面3種形式,下面主要分定子無鐵心和轉子無鐵心來討論,其中轉子無鐵心包括定子有鑼心和無鐵心兩種形式。


1.1
定子無鐵心
定子無鐵心電機具有定子損耗低、轉矩脈動小和效率高等優點,但是其氣隙長度較大,氣隙磁較普通永磁電機低,相同輸出轉矩下繞組線負荷高。為保證一定的氣隙磁密,永磁體的用量較大。按磁場方向可以將定子無鐵心電機分為徑向磁通永磁電機、軸向磁通永磁電機和橫向磁通永磁電機3大類 。目前無鐵心電機以軸向和橫向磁通電機居多,徑向磁通較少,但徑向磁通電機與二者相比,設計和制造工藝更加成熟,結構簡單,漏磁小,可以采用二維磁場進行分析,而軸向磁通和橫向磁通電機則需要建立三維場,分析時間長,計算量大。

      傳統電機中,定子鐵心由硅鋼片壓制而成,定子繞組繞制在定子鐵心的齒槽中,如圖1a。取消定子鐵心后的電機定子如圖1b,定子線圈的形狀設計以及固定方式需要采取與傳統電機不同的方式,相關制作工藝還有待進一步研究。

塑料定子結構是常用的種定子鐵心替代方式,如圖2中的無鐵心無刷直流電機,采用外轉子結構,定子由塑料組成,線圈固定在塑料定子上,而轉子則固定在一個鋼制圓環內側。從圖中可以看出,電機軸穿過塑料定子,塑料定子的力學特性、耐熱性在某些場合下需要進行考慮。

在盤式橫向磁通無鐵心電機定子線圈采用了脫模灌膠的形式,   如圖3所示。需要選取合適型號和匝數的漆包線按照電機設計圖紙制成線圈;并將線圈放人圖3(a)中鋁制的下線模中,完成接線之后在線圈大徑小徑處對線圈進行捆綁,使線圈盤成型;取下線圈,灌注環氧樹脂,加壓,   使線圈和軸套牢固固化體,圖3(b)為成型后的盤式電機定子繞組示意圖。


在一些小功率應用場合下,定子繞組可以直接印制在PCB電路板上,如圖4所示。   采用PCB板定子線圈的無鐵心電機在形狀和尺寸上更加準確統一,不存在定子繞組的固定問題,而且由于PCB板自身良好的平整性,該類定子繞組往往具有緊湊的結構和良好的散熱能力,制造工藝也相對比較簡單,但目前PCB板內線圈的尺寸一般較小,銅箔過電流能力有限,即便可以采用軸向多塊PCB定子疊加的方式來提高容量,PCB定子電機仍一- 般出現于功率較小的場合。


1.2   轉子無鐵心

      在無鐵心電機的3種主要形式中,目前主要的研究方向依舊是定子無鐵心結構,主要原因是:電機采用無鐵心結構的目的除減小體積質量外,另一個很重要的因素是減小電機的齒槽轉矩從而減小電機的轉矩脈動,使電機運行更加平穩,性能更加優異,而采用轉子無鐵心、定子有鐵心的形式則無法實現這一目標,所以目前在采用轉子無鐵心結構的同時,定子大多亦采用無鐵心結構。但隨著近年來永磁體排布方式和充磁方式的發展,轉子無鐵心在一些場合下也具有著重要的意義。

      轉子無鐵心應用的一個重要場合是轉子鐵心重量占總重量比重較大時,采用轉子無鐵心結構有利于使電機系統的重量大幅減小。圖5C型直驅式無鐵心永磁風力發電機結構模型,電機定轉子均為無鐵心轉子,其中轉子為C型,采用徑-縱向磁通結構。該電機在低速直驅下具有效率高、可靠性高以及無齒槽轉矩和鐵心損耗小等優點,電機也因為采用無鐵心結構得以輕量化。


5   c型轉子無鐵心風力發電機結構模型
高速電機中,定子齒槽引起的齒槽轉矩以及高速運行帶來的轉子鐵心渦流損耗會產生大量的熱量。轉子鐵心的熱量無法及時散出,造成電機溫度急速上升,永磁體磁性能退化,電機性能下降,效率降低,危害嚴重。高速電機轉子采用無鐵心結構并輔以合適的繞組設計后,可以大大的減小電機轉子的發熱量,提高電機穩定性,起到降低電機重量、減小成本的作用[20]。截止目前,轉子無鐵心電機的研究依然較少,故本文在以下分析時如無特殊說明無鐵心電機均指定子無鐵心電機。

1.3
永磁體排布
無鐵心電機設計時,需要通過改進電機結構,來增大氣隙磁密,主要的方法有3:①挑選剩磁較高的磁性材料;②優化永磁體的結構和排布方式;③增加永磁體厚度。
永磁電機的磁性材料目前主要有稀土永磁體、鐵鎳鋁和鐵氧體3種。無鐵心電機要求選用高剩磁、高矯頂力的永磁材料,故稀土材料中的敵快確是無鐵心電機水磁材料的首選。而在永磁體的排布方式上,傳統電機的方案不一定適用于無鐵心電機,需要另行研究。

      傳統永磁電機在設計時永磁體多采用徑向或者切向形式,如圖6(a)和圖6(b)所示,形成的磁場沿永磁體的兩側對稱分布。Halbach 結構利用了徑向和切向陣列的特點,將二者結合起來,形成-種新的永磁體陣列,如圖6(c)所示,從圖中可以看出,徑向結構與切向結構產生的磁場相互疊加,使得永磁體面向定子一側磁場明顯增強,而另- -側磁場減弱[13]   ,以至于可以省去導磁鐵軛。采用Halbach結構在省去導磁鐵心的同時,確保定的轉矩密度和功率密度,也因此成為無鐵心電機中應用最廣泛的一種永磁體陣列形式。

      根據Halbach結構的特征,可以總結出該永磁體陣列的優點!2) :

      (1)提高了永磁電機氣隙磁密、轉矩密度和功率密度,對減小電機的體積和質量有重大作用。

      (2)有利于實現無鐵心電機的設計,能夠避免鐵心損耗,提高電機效率。

      (3)易于實現空間|磁場的正弦分布,可以減小電機的齒槽轉矩,實現電機轉矩脈動的減小。

在永磁體組成方面,每極下永磁體組成塊數(即相鄰兩塊之間的夾角)對電機氣隙磁密有著重要的影響。圖7Halbach陣列結構每極不同永磁體塊數下氣隙磁密的波形,而圖8為不同永磁體塊數下氣隙磁密幅值和轉子軛部磁密幅值[13],從圖7可見,當每極下的永磁體塊數越多時,氣隙磁密的正弦度越好,圖8則說明永磁體塊數越多,氣隙磁密的幅值越大,轉子軛部磁密幅值越小。因此,通過增加每極下永磁體塊數的方法可以改善電機的氣隙磁密,達到提高電機性能的目的。但每極下永磁體塊數越多,加工難度越大,成本越高。綜合判斷,選擇每極下3(相鄰兩塊夾角為60°)永磁體或者4塊永磁體(相鄰兩塊夾角為45°)比較合適。

與常規永磁體相似,永磁體厚度對Halbach結構氣隙磁 密作用明顯,探討永磁體厚度的設計也是Halbach結構無鐵心電機的重要研究內容。圖9為不同永磁體厚度下Halbach結構和傳統永磁體結構氣隙磁密的比較[23-241   在永磁體厚度較小時,Halbach結構氣隙磁密幅值與常規結構的氣隙磁密幅值接近并均較小,隨著永磁體厚度的增加,傳統結構的氣隙磁密幅值大于Halbach結構的氣隙磁密,在某一厚度時(5mm)達到最大值,厚度繼續增加時,兩者的差距減小,并在另一厚度(11mm)Halbach氣隙磁密實現對傳統結構磁密幅值的反超,由此可以得出,采用Halbach結構時,在成本保證的條件下,可以加大永磁體的厚度來增加電機的氣隙磁密。

9永磁體厚度對不同結構永磁電機氣隙磁密的影響

      Halbach結構對無鐵心電機的設計有著明顯的促進作用,但在設計時不得不考慮實際的加工條件。Halbach 結構的加工方式可以分為環形充磁和組合拼裝加工兩種方式,前者的效果十分理想,但以目前加工水平及充磁方式來看難度極大,國內只有少數研究單位能夠完成,且成本較高,周期較長,故Halbach結構加工多采用拼裝方式,按照事先定好的相鄰兩塊永磁體之間的夾角對永磁體進行充磁,再利用專門設計的工裝夾具將永磁體固定在轉子軛部上[2]。目前,組合拼裝加工技術已經比較成熟,生產的電機效果也基本滿足要求,但仍費時費力。2 SMC 永磁電機

      無鐵心電機在體積、重量和轉矩脈動上有著突出優點,可以應用于軍事裝備、航空、船艦等對成本考慮較少的場合,但對于民用、工業應用等場合,增加永磁材料帶來的成本提升勢必會影響其進一步發展。文獻[7]Halbach無鐵心電機與同等功率和轉速的有鐵心電機進行比較,無鐵心電機雖然在效率上提高了12%,重量下降了45%,并且功率密度得到了82%的提升,但是成本卻增加了109%,顯然普通應用難以接受。SMC電機與無鐵心電機的區別是其采用軟磁材料取代了電機鐵心,犧牲了無鐵心電機在重量和鐵心損耗等方向的部分優勢,取得了成本上的進步,彌補了無鐵心電機在某此領域的缺陷。

      2.1   SMC材料

      SMC是一種新型軟磁材料,是將高分子樹脂或者低熔點的金屬與軟磁粉末均勻混合后,采用模壓、層壓或者引拔等方式制成的特定材料,一般用于制造電機鐵心、槽楔等   。

      文獻[26]研究了層壓鐵粉SMC,該種材料中,高分子樹脂為基本相,決定了材料的耐熱性能;玻璃布為增強相,決定材料的耐壓性等力學性能;鐵粉為導磁相(直徑約0.01mm),決定材料的導磁性能。材料經過混合、均勻攪拌、壓制成型和熱處理后可以得到理想的形狀。相比于傳統硅鋼片而言,SMC具有各向同性、鐵心渦流損耗小、密度小、成本低、易于制成各種形狀并且加工過程簡單等優點,相較于無鐵心電機,則可以在減小永磁體厚度的同時保證氣隙磁密和電機質量、成本,在特定領域具有重要意義;但該材料的瓶頸問題是材料的力學性能與導磁性能不匹配,即如何在具有良好機械強度的同時具有滿足條件的導磁性能。

      在電氣相關領域,SMC的導磁性能是研究人員在研究過程中重點關注的,圖10為幾份環氧樹脂鐵粉SMC樣品的磁化曲線,在質量上占比各不相同,可見SMC的磁導率較低,飽和磁密較小,但是磁密飽和時磁場強度的值較大,約為5000A/m,相比較而言,硅鋼片飽和時的磁場強度約為2500A/m,換言之,SMC材料的飽和電流更高,過載能力更強。

2.2
SMC材料電機
SMC具有各向同性,特別是溫度和磁性能方面的各向同性,使得SMC材料相比于硅鋼片平面性能好而垂直磁性能差的特點,更適合于三維磁通電機,因此目前SMC材料主要被應用于設計三維磁路電機的鐵心,即軸向磁通電機和橫向磁通電機。
文獻[27-31]研究內容均為軸向磁通SMC永磁電機,涉及內容眾多:有采用單定子單轉子結構形式[27 ]   ,有雙定子單轉子形式28]   有涉及SMC加工工藝問題[29]   有研究電機鐵心損耗與出力問題[30]。文獻[31]還比較了兩臺轉子鐵心分別由實心鋼和SMC制成的軸向磁通電機,定子均為SMC材料,其中SMC轉子鐵心電機的定轉子如圖11所示。相比于實心鋼材料,電機的空載損耗減小了19% ,   同時效率提高了12%。即便優點諸多,但想用SMC材料取代硅鋼片材料,仍然有眾多亟待解決的問題。

橫向磁通電機設計的初衷是解決槽寬與齒寬之間的矛盾,增大電機的轉矩密度和功率密度。圖12為一臺橫向磁通電機的定轉子結構[32 -33]   其中定子由SMC制成,電樞繞組沿電機周向繞制,齒槽與定子線圈在空間上為垂直關系,齒槽尺寸與線圈尺寸并無直接關系,主磁通沿著電機軸向流通,而氣隙磁通的方向則為徑向。傳統硅鋼片橫向磁通由于永磁體排布和槽口的關系,電機漏磁較大,轉矩波動明顯,功率因數較低,使用SMC材料可以有效改善這些缺點。
另外,爪極式電機是目前SMC應用較多的一-類電機,如圖13所示。文獻[34 -37]針對SMC爪極式電機進行了多方面深人研究:采用低密度模壓方式制作SMC鐵心(34);設計了專門用于SMC三維磁特性測量的儀器,推導了SMC爪機電機的鐵心損耗計算方法,對該類電機三維計算進行了優化,同時還針對該類電機的特點對其驅動電路結構進行了優化等等[36],為SMC材料在永磁電機上的應用做出了巨大貢獻。而SMC材料爪極式電機與傳統硅鋼材料電機的比較更是表明,基于SMC材料永磁電機可以實現高頻運行時比傳統硅鋼電機更低的鐵心損耗和更高的效率。

  

2.3   鐵損分析

      電機設計時,如何減小損耗一直 是電機研究的重點,特別是在電機高速運行過程中。SMC材料電機與傳統硅鋼片電機損耗不同點很大程度在于鐵心損耗上,故分析時焦點大多集中于鐵心損耗。與傳統電機類似,SMC 電機鐵心損耗的影響因素較多,如SMC材料特性,加工工藝、電機運行頻率等等,傳統電機鐵心的經驗計算方法并不一定適用于SMC電機,因此需要探討SMC電機的特性并尋找合適的鐵耗計算和削弱方法。
      電機的鐵耗主要包括渦流損耗、磁滯損耗和附   加損耗。其中,渦流損耗是閉合鐵心在外加磁場作用下感應出的環形電流圈產生的熱量,由于SMC中的鐵粉顆粒細小且相互絕緣,磁場變化感應出的環形電流很小,故SMC電機的渦流損耗比硅鋼片電機小,即使是在高頻下。然而因為SMC材料的特殊物理性質,其磁滯損耗遠大于硅鋼片的磁滯損耗,故在忽略附加損耗的情況下,低頻下的SMC材料電機鐵耗大于硅鋼片材料電機,而當硅鋼片渦流損耗隨著電機頻率增大到某一值時, SMC材料電機鐵耗才小于硅鋼片電機鐵耗,因此SMC電機般設計運行于較高頻率下[3-3)]。目前對于SMC應用于永磁電機時的鐵心損耗分析還未深人,低頻下鐵心損耗的量化以及改善設計也有待進步研究。

      另外,含有一定比例鐵粉的結構膠用于圖3所示的無鐵心定子的制作,使得電樞繞組間隙由具有一定導磁能力的結構膠填充,將使得原無鐵心電機的性能發生改變,轉矩密度提升,相關設計與分析技術值得研究。3結語

      本文通過對現有無鐵心電機和SMC電機文獻總結和歸納,可以得到如下幾方面的結論:

      (1)無鐵心電機可分為定子無鐵心、轉子無鐵心和定轉子均無鐵心3種,根據電機類型的不同,無鐵心電機的繞組和永磁體有多種不同的安裝方式。

      (2)無鐵心電機中,為保證一定 的氣隙磁密,需要對永磁體的結構進行設計,包括永磁體的排布和尺寸,并且需要考慮現有電機加工工藝和成本的影響。

      (3)無鐵心電機雖然對電機在體積、重量、轉矩和效率上有所提升,但其成本往往也會增加,而SMC電機可以一定程度上彌補無鐵心電機的劣勢,是永磁電機研究的另一個重要研究方向。

      (4)SMC的導磁率較低,但材料磁密飽和時的磁場強度較大,并且在軸向磁通和橫向磁通等三維電機中得到了較深人的應用;相應的鐵心損耗分析卻還未得到充分研究,將是未來SMC電機研究的一個重要分支。




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