軟磁復合材料鐵芯電機特性的仿真研究

李文華，劉 嬌，李建剛

（遼寧工程技術大學機械工程學院，遼寧阜新123000）

軟磁復合材料鐵芯電機特性的仿真研究

李文華，劉 嬌，李建剛

（遼寧工程技術大學機械工程學院，遼寧阜新123000）

為了發(fā)揮軟磁復合材料的高電阻率，低損耗，易于再利用的特點，仿真模擬將其應用在永磁電機的鐵芯上.以12 槽4極直流電機為仿真對象，把三維計算問題轉化成二維模型，用JMAG軟件對電機進行建模，闡述SMC與硅鋼片鐵芯差異，先用兩種材料進行仿真，結果說明只靠替換鐵芯材料對電機性能改進并不會產生很大改善，改進模型，得出不同延伸高度鐵芯延伸長度增加引起的電流和轉矩特性與功率變化的關系.利用所建模型將Somaloy500的軟磁復合材料與50CS800的硅鋼片制備的鐵芯進行模擬實驗，結果表明：相同條件下軟磁復合材料鐵芯的效率要更高一些.最低轉速時效率增加5％，最高轉速時效率增加10％；軟磁復合材料鐵芯模型抑制電流輸出，各向同性的優(yōu)勢明顯.結論為SMC材料在低轉速電機的開發(fā)中依舊能夠發(fā)揮優(yōu)勢，實現(xiàn)電機性能的提高.

軟磁復合材料；硅鋼片鐵芯；建模；模型改進；機械特性

軟磁復合材料（SMC）主要是運用霧化鐵粉進行絕緣化加工形成的一種新型復合磁性材料，通過混合—壓制—熱處理—樹脂覆蓋的流程進行加工而成.材料的物理性質決定它非常適合作為電機的鐵芯材料［1-2］.作為新型磁性材料，SMC具有硅鋼片材料無可替代的優(yōu)勢之處：能夠更好的利用電機內空間，實現(xiàn)真正的加工自如；具有較高的電阻率，能夠有效降低高頻下的損耗［3］；具有三維磁氣的性質，幾乎不存在磁隙間的損耗；由于其粉末絕緣的性質，其內部渦流形成的路徑很短，能有效減少發(fā)熱帶來的損耗［4］；加工時材料浪費比硅鋼片材料要少很多，實現(xiàn)材料的再利用［5］.

1 建模過程

JMAG是日本JRI公司開發(fā)的方便易懂、功能健全的電磁場分析軟件，為電機的仿真提供了非常完備的物理模型［6］.本文的仿真對象是12槽4極直流電機，不考慮Z軸方向磁場的變化，把三維計算問題簡化到二維系統(tǒng)中進行.由于氣隙及永磁體的導磁率，認為磁勢全部消耗在氣隙和永磁中，定子鐵芯區(qū)域的磁導率設為無窮大；定子、轉子為本文研究材料Somaloy500，與其相對比的硅鋼片材料50cs800；根據(jù)并勵直流電機的工作原理［7］，設置分析類型為瞬態(tài)分析；對于運動設置，利用JMAG軟件窗口中的Condition-Crate Condition，對線圈的匝數(shù)、電阻、轉速、轉矩和分析步長進行設置，F(xiàn)EM線圈與電刷元件采用并聯(lián)方式連接，采用自適應方法生成網(wǎng)絡細分電機模型，為達到精確計算出結果的目的，本文模型在徑向劃分數(shù)為7，周向劃分400，使每一元素跨0.167度機械角，定子和轉子間的間隙就劃分為四邊形網(wǎng)格.基于上述步驟，電機的建模過程結束［8-9］.

2 模型改進

2.1SMC與硅鋼片鐵芯差異

本文永磁直流有刷電機永磁體類型為N30，相對磁導率μr=1.045，剩磁密度為Br=1.1 T.軟磁復合材料與硅鋼片鐵芯材料與性能如表1所示，軟磁材料的矯頑力較硅鋼相對較低.為有效觀察硅鋼片鐵芯和軟磁復合材料鐵芯的差異，我們在電機頻率100 Hz，電源電壓12 V，轉速3 000 r/min的條件下對其各種特性差異進行仿真，結果表明二者的平均電流與轉矩曲線也基本保持一致并沒有非常明顯差異.這說明只靠替換鐵芯材料對電機性能改進并不會產生很大改善［10］.

表1　軟磁材料和硅鋼材料的性能數(shù)據(jù)Table 1 Performance data of soft magnetic materials and silicon steel

2.2SMC鐵芯轉子三維模型結構改進

軟磁復合材料具有三維磁場設計的特性，通過單一的改變鐵芯材料是很難對電機特性有非常明顯的改變，因此將轉子的外端齒形部分沿Z軸方向進行延長，提高與永磁體和線圈的接觸面積，達到使電機的輸出功率上升的目的.為充分驗證實驗外端延伸對模型性質的影響，將帶有Somaloy500材料的模型分為6組，分別將延伸高度定為0，2，4，6，8，10 mm，其解析條件都是相同的電源電壓12 V，轉速3 000 r/min.其他參數(shù)也都相同，經過軟件仿真得出6組轉矩曲線和電流曲線如圖1和圖2所示［11］.

圖1　鐵芯延伸增加引起的電流和轉矩特性變化Fig.1 Change of current and torque characteristics caused by the increase of iron core

圖2　鐵芯延伸增加引起的功率特性變化Fig.2 Change of the efficiency characteristic caused by the extension of the core

從圖中可以看出不但電機轉矩有所增加，而且線圈電流有所下降.減少了熱量的損耗，使效率值上升.由此可看出對轉子的齒端進行模型改進能夠有效的發(fā)揮軟磁復合材料的各向同性的性質，即使在低轉速低頻電機中依然能夠提高性能.

如圖3和圖4所示分別是轉子齒端延伸長度為0 mm和延伸長度5 mm時轉子模型的仿真磁通密度分布圖.從圖中可以看出：紅色表示磁通密度較大，主要分布在轉子齒槽間，藍色表示磁通密度較小，主要分布在中軸部分.兩幅圖比較看出帶有轉子齒端延伸模型的紅色區(qū)域明顯比不帶齒端延伸的轉子要多，特別是在齒槽部分和轉子軸部分，即磁通密度有所增加［12］.

這主要是因為帶有齒槽延伸的模型與永磁體和線圈接觸面積增大，從而使其軸部磁通比齒形部分更容易通過.磁通密度與電動勢成正比，當磁通密度上升時電機的輸出功率也相應上升［13］.通過仿真可以看出，帶有外部延伸的模型能夠實現(xiàn)轉矩的上升，電流的下降和效率上升的效果.

圖3　鐵芯延伸為0 mm模型的轉子磁通密度分布Fig.3 Rotor flux density distribution of 0 mm model with iron core

圖4　鐵芯延伸5 mm模型的轉子磁通密度分布Fig.4 Rotor flux density distribution of the core 5 mm model

3 模型改進前后的特性比較

通過改變電機三維機構，可以提升電機的性能.重新將帶有齒端延伸結構的軟磁復合材料鐵芯和硅鋼片鐵芯進行比較，觀察在不同的電源電壓和轉速下二者的性能差異.解析研究對象選取的模型為齒端外伸5 mm的模型，兩種材料均采用同一模型進行仿真，分別輸入兩種材料的電阻率等表1中的參數(shù).解析條件范圍中電源電壓分為4，6，8 V的3組，轉速定分為500，1 000，1 500，2 000 r/min的4 組.分為12組，一共要分別記錄下這12組仿真的平均轉矩和效率值結果如圖5和6所示.

相同條件的情況下，軟磁復合材料相比硅鋼片鐵芯，輸出更高的轉矩.例如取電源電壓8 V，轉速500 r/min條件下所獲得的最高轉矩.軟磁復合材料鐵芯則是硅鋼片鐵芯的1.5倍.如圖7和圖8中所示為電源電壓分別為4、6、8 V下，效率和轉速的特性曲線.從圖中可以看出在相同的條件下軟磁復合材料鐵芯的效率要更高一些.最低轉速時效率增加5％，最高轉速時效率增加10％.

圖5　軟磁復合材料鐵芯模型轉速與轉矩的關系特性Fig.5 Relationship between the characteristics of SMC core model speed and torque

圖6　硅鋼片鐵芯模型轉速與轉矩的關系特性Fig.6 Relationship between properties of silicon steel core model speed and torque

圖7 軟磁復合材料鐵芯模型效率與轉速的關系特性Fig.7 Relationship between efficiency and speed of the core model of SMC

圖9和圖10中分別為在電源電壓為4、6、8 V下，電流和轉速的特性曲線.從圖中比較看出在條件相同情況下，軟磁復合材料鐵芯模型的輸出會抑制電流，使輸出轉矩在相同的條件下更高.

實驗結果表明，即使在低轉速運行狀態(tài)下，通過改進轉子模型實現(xiàn)對磁場空間的充分利用能夠有效的提高電機運行的性能.證實了軟磁復合材料的各向同性優(yōu)勢很明顯.

圖8　硅鋼片鐵芯模型效率與轉速的關系特性Fig.8 Relationship between efficiency and speed of silicon steel core model

圖9　SMC鐵芯模型電流平均值與轉速的關系特性Fig.9 Relationship between the current and the speed of the core model of SMC

圖10　硅鋼片鐵芯模型電流與轉速的關系特性Fig.10 Relationship between input current and rotational speed of silicon steel core model

4 改進SMC鐵芯電機機械特性

4.1機械特性

機械特性的方法除了用硬度來表示，也可以用堵轉轉速來表示.堵轉轉矩Tk是當n=0時的電磁轉矩，求法如式（1），

其中堵轉電流Ik=U/R因此機械特性方程就變成式（2）

本文采用SMC鐵芯替換硅鋼片鐵芯，試圖通過人為改變電機鐵芯的磁通屬性來改變其電機的機械特性.從結果上看出，SMC鐵芯電機的堵轉轉矩要大于硅鋼片鐵芯電機［14］.

4.2啟動特性

軟磁復合材料somaloy500的電阻率遠大于硅鋼片鐵芯電機.因此在相同結構條件下，somaloy500材料電機的電阻值要大于硅鋼片電機，導致起動轉矩要比硅鋼片的要大，所需要的起動電流也大.這樣的變化對于小型直流電機的起動來說沒有區(qū)別；但是對于大型直流電機來說，就不能采取直接起動的方式了.

4.3制動特性

機械特性如式（3）

其中R—制動電阻.通過改變制動電阻R可以改變制動特性曲線.R越小，制動轉矩就越大，制動的效果越好.但是制動轉矩和制動電流不能太大，否則會給系統(tǒng)帶來損害.因此我們通常限制最大制動電流不能大于2～2.5倍的電流.即如式（4）［15］

由于SMC鐵芯電機的起動轉矩要高于硅鋼片鐵芯電機，因此SMC電機在實機制動時，需要更高的制動轉矩來制動.

4.4轉速特性及轉矩特性

當電壓為定值時，轉子的轉速n與電流I間滿足轉速特性.由電壓平衡方程式得下式

SMC鐵芯電機在保持電磁轉矩提高的同時又能有效控制電流，減少銅損和鐵損［16］.

如圖11是SMC鐵芯電機與硅鋼片鐵芯電機在電壓源8V情況下功率特性圖，從圖中可以看出SMC鐵芯電機的最大輸出功率要高于硅鋼片最大輸出功率.從轉速特性和效率特性中可以看出經過模型改進的SMC鐵芯電機能有效的發(fā)揮特性優(yōu)勢［17-18］.

圖11　功率特性Fig.11 Power characteristics

5 結 論

對SMC材料鐵芯電機模型和硅鋼片材料鐵芯電機性能進行仿真和計算，討論只改變材料情況下軟磁復合材料與硅鋼片材料的性能差異，結果表明差異并不明顯.因此提出對模型進行3D層面的結構改進，使改進后SMC材料鐵芯能夠發(fā)揮其材料的優(yōu)質特性，從而實現(xiàn)提高永磁直流電機性能上升的目的.對改進后的電機的機械特性進行仿真，結果表明有一定的提升.因此從仿真的角度說明了在低轉速電機的開發(fā)中依舊能夠發(fā)揮SMC材料的優(yōu)勢，實現(xiàn)電機性能的提高.

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（編輯 張積賓）

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

LI Wenhua，LIU Jiao，LI Jiangang
（Mechanical Engineering College，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 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.

李文華（1964—），男，博士生導師.

李文華，E-mail：305827994@qq.com.