團隊介紹

徐衍亮，山東大學教授，博士生導師，博士，微電機編委，IJAEM編委，中國電工技術(shù)學會直線電機專委會委員。研究方向永磁電機及特種電機的設計及控制、電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)研究、磁懸浮軸承的設計及控制。

作為負責人或主研參與50余項科研項目的研究，包括國家自然科學基金項目、國家863計劃項目、山東省科技重大專項（新興產(chǎn)業(yè)）、山東省2017年重點研發(fā)計劃等。在IEEE Transaction、IET、中國電機工程學報、電工技術(shù)學報等國內(nèi)外學術(shù)刊物發(fā)表學術(shù)論文60余篇，已授權(quán)發(fā)明專利12項。

崔波，山東大學碩士研究生，研究方向為永磁同步電機矢量控制技術(shù)。曾參與包含國家自然科學基金、國家863計劃項目、山東省重點研發(fā)計劃項目在內(nèi)的科研項目6項，發(fā)表論文5篇。目前就職于國網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司。

導語

盤式橫向磁通電機（DTFM）電磁負荷相互解耦，功率密度高，軸向長度短，具有很好的應用前景。本文基于DTFM的原理特點以及軟磁復合材料（SMC）和疊片硅鋼材料（Si-Steel）兩者間鐵磁性能的互補性，提出SMC和Si-Steel組合（SMC-Si）鐵心DTFM。

該種電機主要采用SMC定子齒和Si-Steel定子軛組合方式，可以充分利用SMC材料和Si-Steel材料的優(yōu)勢，避免或削弱其缺點，提高DTFM的性能，同時提高了電機的機械強度、降低了電機的加工裝配難度。SMC定子極靴的存在對降低電機有效氣隙、提高永磁體的利用率以及降低電機的齒槽轉(zhuǎn)矩具有重要意義。

研究背景

盤式橫向磁通永磁無刷電機（簡稱為DTFM）綜合了盤式永磁無刷電機、分數(shù)槽集中繞組永磁無刷電機及橫向磁通永磁無刷電機的綜合優(yōu)勢，具有高效、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度特點。但傳統(tǒng)的Si-Steel定子鐵心DTFM存在槽滿率以及減小有效氣隙的矛盾。

軟磁復合材料（SMC）作為一種新型軟磁材料可用于電機設計，具有高頻鐵耗低、磁熱各向同性的特點。因此，SMC材料更適用于具有三維磁路的永磁電機中。但SMC電機也只利用了SMC材料的各向磁同性的優(yōu)點，其低頻鐵耗高、導磁率低的缺點并沒有避免或削弱。

因此需要充分利用SMC材料和Si-Steel材料的優(yōu)勢，避免或削弱其缺點，開發(fā)出高性能的永磁電機。

論文方法及創(chuàng)新點

本文針對傳統(tǒng)Si-Steel C型鐵心DTFM的缺點，提出一種以SMC為定子極靴、以Si-Steel為定子極身的3相10轉(zhuǎn)子極12定子極SMC-Si組合C型鐵心DTFM。圖1給出了SMC-Si鐵心DTFM結(jié)構(gòu)圖。

由于增加了由SMC材料制成的定子極靴，使電機具有降低電機有效氣隙、提高永磁體的利用率、降低電機的齒槽轉(zhuǎn)矩的優(yōu)勢。同時，由于SMC定子極靴厚度較小而截面積較大，克服了SMC磁導率低、低頻運行鐵耗較高的缺點。

圖1 SMC-Si鐵心DTFM結(jié)構(gòu)圖

為驗證SMC定子極靴對提高DTFM性能的意義，對不同材料定子模塊鐵心DTFM進行性能比較。采用三維電磁場的有限元方法，得到三種電機在額定轉(zhuǎn)速3000r/min下的空載相電動勢波形如圖2所示。

可以看出， SMC-Si鐵心DTFM的永磁相電動勢最高，這是由于SMC-Si鐵心DTFM的定子極靴減小了有效氣隙；SMC鐵心DTFM永磁相電動勢最低，這是由SMC材料導磁率低造成的。

圖2 三種電機空載相電動勢波形比較

圖3為三種電機的齒槽轉(zhuǎn)矩波形比較。可以看出，三者具有相近的齒槽轉(zhuǎn)矩，

圖3 三種電機的齒槽轉(zhuǎn)矩波形

由于SMC-Si鐵心DTFM采用了SMC定子極靴，本身有助于削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，并且具有更多進一步削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法。本文采取的方法包括調(diào)整定子極靴角度a、定子C型鐵心兩極靴的相對位置b、轉(zhuǎn)子磁體極弧角度g，這些參數(shù)分別如圖4所示。

圖4 用于降低齒槽轉(zhuǎn)矩的參數(shù)

在給定電機結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，首先改變定子極靴角度a，齒槽轉(zhuǎn)矩及相電動勢的變化如圖5所示。可以看出，隨a的增大，電機齒槽轉(zhuǎn)矩先降低后增大，在a=27°時具有最低齒槽轉(zhuǎn)矩。隨a的增大，永磁相電動勢趨于降低。因此在采用調(diào)整a來降低齒槽轉(zhuǎn)矩降低時，則需要考慮由此可能導致的空載相電動勢的下降。

圖5 a對齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值及相電動勢的影響

然后改變定子極靴錯角b，齒槽轉(zhuǎn)矩及空載相電動勢的變化如圖6所示。可以看出，隨b的增大，齒槽轉(zhuǎn)矩降低，錯角在3°-5°范圍內(nèi)，齒槽轉(zhuǎn)矩變化較小，超過5°，再增加錯角，齒槽轉(zhuǎn)矩范圍增加較快。值得注意的是，調(diào)整極靴錯角對電機空載相電動勢波形影響較小，因此調(diào)整極靴錯角是一個較好的降低電機齒槽轉(zhuǎn)矩方法。

圖6 b對DTFM齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值及相電動勢的影響

最后改變轉(zhuǎn)子磁體極弧角度g，齒槽轉(zhuǎn)矩及空載相電動勢變化如圖7所示。可以看出，在g增大時，齒槽轉(zhuǎn)矩有先增大再降低然后再增大的變化規(guī)律。在g增大時，相電動勢幅值變化不大，平頂寬度有所增大，顯然磁體寬度增大后，永磁體氣隙及齒頂漏磁增大，相電動勢增大程度有所降低。

圖7 g對DTFM齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值及相電動勢的影響

本文提出的基于SMC-Si組合鐵心DTFM用于電動汽車驅(qū)動，具有6kW144Vdc 3000r/min的額定參數(shù)。在額定轉(zhuǎn)速在對樣機進行空載實驗，測得空載反電動勢波行如圖9所示。可以看出，樣機電機三相空載相電動勢波形正弦性及對稱性良好。

圖9 在3000r/min時的三相相電動勢波形

圖10 3000r/min下仿真與樣機實測對比

對A相繞組反電勢的實驗結(jié)果與有限元仿真結(jié)果進行對比，對比結(jié)果如圖10所示。由圖可知，實驗測出的反電勢略小于有限元仿真結(jié)果。

在保持電壓120Vdc不變的條件下，測試樣機在不同轉(zhuǎn)速下的負載特性。圖11為不同轉(zhuǎn)速下電機系統(tǒng)的效率曲線。其中效率是電機與驅(qū)動器的總效率，施加的載荷轉(zhuǎn)矩從0N·m開始遞增，增加步長為0.5N·m。

可以看出，600rpm轉(zhuǎn)速下的電機系統(tǒng)可能已經(jīng)工作在重載狀態(tài)下，電機繞組電流高，定子銅耗大，因此其效率最低，僅有22%；其次為1000rpm轉(zhuǎn)速下的系統(tǒng)效率約為68%；1500rpm和2000rpm轉(zhuǎn)速下電機系統(tǒng)效率基本一致，約為75%。由此可以得出，當電壓相同、轉(zhuǎn)速不同時效率曲線有較大區(qū)別，隨著轉(zhuǎn)速的不斷增大，相同電壓下的最大效率點也逐漸增加，并且高效區(qū)間不斷增大。

圖11 120Vdc下不同轉(zhuǎn)速\功率下的效率曲線

結(jié)論

本文提出的SMC-Si組合DTFM比Si-Steel鐵心DTFM和純SMC鐵心DTFM具有最高的空載相電動勢，且三種定子鐵心DTFM齒槽轉(zhuǎn)矩相近。SMC極靴磁密低且厚度小，克服了SMC材料磁導率低、低頻鐵耗高的缺點。

SMC極靴結(jié)構(gòu)使SMC-Si鐵心DTFM具有更多的降低電機齒槽轉(zhuǎn)矩的方法。經(jīng)過對a、b、g參數(shù)的優(yōu)化設計，可以使SMC-Si鐵心DTFM具有很低的齒槽轉(zhuǎn)矩。但在進行齒槽轉(zhuǎn)矩降低的優(yōu)化設計中，需要考慮由此導致的空載相電動勢的變化。最后通過樣機實驗驗證了所提出DTFM新結(jié)構(gòu)的可行性。

引用本文

徐衍亮, 崔波, 張文晶, 薛成勇. 軟磁復合材料-Si鋼組合鐵心盤式橫向磁通永磁無刷電機[J]. 電工技術(shù)學報, 2020, 35(5): 983-990. Xu Yanliang, Cui Bo, Zhang Wenjing, Xue Chengyong. Disk Transverse Flux Permanent Magnet Brushless Motor Based on Soft Magnetic Composite-Si Steel Core. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 983-990.