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无铁心与软磁复合材料永磁电机研究综述--赵勇,黄文新,刘賽德

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文章附图

摘要近年来,无铁心电机和软磁复合材料水磁电机受到了越来越多研究人员的关注,提升了电机在体积、重量以及转矩密度、功率因数甚至成本等方面的优势,并已有大量文献对两种类y水磁电机的设计和应用进行了深人研究。本文对国内外无铁心电机和软磁y合材料电机研究现状进行了总结和归纳,介绍了无铁心电机的主要类型,绕组以及永磁体的排布方式,分析了永盛体排布和尺寸对电机气院做密的影响,介绍了软磁复合材料的基本磁性能。应用的主要础路结构类型和必要的铁损分析,最后总结展望了两种类型电机的相关技术研究发展方向。

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近年来,永磁电机一直是电力电子应用领域的重点研究对象。在全球普遍出现环境污染和能源问题的同时,永磁电机因为具有高效率、高功率密度、高转矩密度等优点被广泛用于航空、舰船、电动汽车和家电等领域。然而,随着电力电子技术以及电机设计和控制理论的日益发展和完善,传统结构永磁电机的研究已经相当成熟。

传统永磁电机中,电机内部磁场的建立由永磁体磁场和定子电流产生的磁场共同完成,该磁场的强弱与电机的体积、重量密切相关,为得到理想的功率密度和转矩密度,电机设计时铁心均选用高导磁率的硅钢片叠压制成,能够起到大幅减小电机磁路磁阻的作用。这种常规电机有体积、重量较大,损耗较大,以及电磁噪声响的问题,其中铁心重量占电机总重量的60%左右,铁心损耗占电机总损耗的30%左右,铁心齿槽更是电机噪声的主要来源,这些不利因素对永磁电机在特定场合下的应用产生了限制,影响很大。

      采用塑料、非导磁合金、环氧树脂等非导磁材料作为电机结构件,替代硅钢片铁心,结合钕铁硼等永磁材料的高矫顽力特性制成无铁心电机,可以在较大幅减小电机重量、体积和噪声的同时,提高电机效率、减小电机转动惯量、加快响应速度、拓宽变速范围,还可延长电机寿命。然而无铁心电电机的有效气隙长度却远远增大,磁路磁远大于有心电机,在相同气院磁密条件下,需要改进无铁心电机机的永磁体排布方式或增加永磁体厚度但会造成永磁体用量增加,结果往往是电机性能得到优化的同时成本增但会造成永磁体用量加在某些场合可能会起到相反的作用软磁复合材料电机应运而生,SMC种新型复合磁性材料,由相互绝缘的微小铁粉颗粒组成 。相比于传统硅钢片电机,SMC电机可以采用模压等方式直接制作成电机铁心,不需要另外加工,材料利用率高;而相比于无铁心结构,SMC电机具有更强的导磁能力,电机的成本低。因此,SMC永磁电机已经吸引了众多专业人员的目光,可以弥补无铁心电机在一些特殊应用领域的不足,正逐渐成为永磁电机研究的个重要方向。

本文在对国内外无铁心电机和SMC永磁电机相关文献阅读的基础上,对两种电机的研究现状进行了介绍和归纳。首先,以定子无铁心和转子无铁心两种形式对无铁心电机进行讨论,论述了两种类型电机的主要结构和形式,电机采用无铁心结构后的工艺特点;然后分析了无铁心电机永磁体对气隙磁密分布的影响,包括永磁体的排布方式、几何尺寸和制造工艺几个方面;针对无铁心电机可能带来的成本劣势,指出SMC电机设计应用的研究价值:介绍了SMC材料的优点,性能以及在几种主要电机上的研究现状,并指出SMC电机铁心损耗分析计算的重要性。


1 铁心电机

      与传统永磁电机相比,   无铁心电机是指不用或著少用硅钢片为铁心,而改用塑料、陶瓷或者环氧树脂等非导磁材料的永磁电机。根据取代的结构不同,可以将无铁心永磁电机分成如下种形式
(1)定子为有铁心结构,转子无铁心。

(2) 定子为无铁心结构,转子有铁心。

(3)定子转子均无铁心。
针对上面3种形式,下面主要分定子无铁心和转子无铁心来讨论,其中转子无铁心包括定子有锣心和无铁心两种形式。


1.1
定子无铁心
定子无铁心电机具有定子损耗低、转矩脉动小和效率高等优点,但是其气隙长度较大,气隙磁较普通永磁电机低,相同输出转矩下绕组线负荷高为保证一定的气隙磁密,永磁体的用量较大。按磁场方向可以将定子无铁心电机分为径向磁通永磁电机轴向磁通永磁电机和横向磁通永磁电机3大类 。目前无铁心电机以轴向和横向磁通电机居多,径向磁通较少,但径向磁通电机与二者相比,设计和制造工艺更加成熟,结构简单,漏磁小,可以采用二维磁场进行分析,而轴向磁通和横向磁通电机则需要建立三维场,分析时间长,计算量大。

      传统电机中,定子铁心由硅钢片压制而成,定子绕组绕制在定子铁心的齿槽中如图1a。取消定子铁心后的电机定子如图1b,定子线圈的形状设计以及固定方式需要采取与传统电机不同的方式,相关制作工艺还有待进一步研究

塑料定子结构是常用的种定子铁心替代方式,如图2中的无铁心无刷直流电机,采用外转子结构,定子由塑料组成,线圈固定在塑料定子上,而转子则固定在一个钢制圆环内侧。从图中可以看出,电机轴穿过塑料定子,塑料定子的力学特性、耐热性在某些场合下需要进行考虑。

在盘式横向磁通无铁心电机定子线圈采用了脱模灌胶的形式,   如图3所示。需要选取合适型号和匝数的漆包线按照电机设计图纸制成线圈;并将线圈放人图3(a)中铝制的下线模中,完成接线之后在线圈大径小径处对线圈进行捆绑,使线圈盘成型;取下线圈,灌注环氧树脂,加压,   使线圈和轴套牢固固化体,图3(b)为成型后的盘式电机定子绕组示意图。


在一些小功率应用场合下,定子绕组可以直接印制在PCB电路板上,如图4所示   采用PCB板定子线圈的无铁心电机在形状和尺寸上更加准确统一,不存在定子绕组的固定问题,而且由于PCB板自身良好的平整性,该类定子绕组往往具有紧凑的结构和良好的散热能力,制造工艺也相对比较简单,但目前PCB板内线圈的尺寸一般较小,铜箔过电流能力有限,即便可以采用轴向多块PCB定子叠加的方式来提高容量,PCB定子电机仍一- 般出现于功率较小的场合。


1.2   转子无铁心

      在无铁心电机的3种主要形式中,目前主要的研究方向依旧是定子无铁心结构,主要原因是:电机采用无铁心结构的目的除减小体积质量外,另一个很重要的因素是减小电机的齿槽转矩从而减小电机的转矩脉动,使电机运行更加平稳,性能更加优异,而采用转子无铁心、定子有铁心的形式则无法实现这一目标,所以目前在采用转子无铁心结构的同时,定子大多亦采用无铁心结构。但随着近年来永磁体排布方式和充磁方式的发展,转子无铁心在一些场合下也具有着重要的意义。

      转子无铁心应用的一个重要场合是转子铁心重量占总重量比重较大时,采用转子无铁心结构有利于使电机系统的重量大幅减小。图5C型直驱式无铁心永磁风力发电机结构模型,电机定转子均为无铁心转子,其中转子为C型,采用径-纵向磁通结构。该电机在低速直驱下具有效率高、可靠性高以及无齿槽转矩和铁心损耗小等优点,电机也因为采用无铁心结构得以轻量化。


5   c型转子无铁心风力发电机结构模型
高速电机中,定子齿槽引起的齿槽转矩以及高速运行带来的转子铁心涡流损耗会产生大量的热量。转子铁心的热量无法及时散出,造成电机温度急速上升,永磁体磁性能退化,电机性能下降,效率降低,危害严重。高速电机转子采用无铁心结构并辅以合适的绕组设计后,可以大大的减小电机转子的发热量,提高电机稳定性,起到降低电机重量、减小成本的作用[20]。截止目前,转子无铁心电机的研究依然较少,故本文在以下分析时如无特殊说明无铁心电机均指定子无铁心电机。

1.3
永磁体排布
无铁心电机设计时,需要通过改进电机结构,来增大气隙磁密,主要的方法有3:①挑选剩磁较高的磁性材料;②优化永磁体的结构和排布方式;③增加永磁体厚度。
永磁电机的磁性材料目前主要有稀土永磁体、铁镍铝和铁氧体3种。无铁心电机要求选用高剩磁、高矫顶力的永磁材料,故稀土材料中的敌快确是无铁心电机水磁材料的首选。而在永磁体的排布方式上,传统电机的方案不一定适用于无铁心电机,需要另行研究。

      传统永磁电机在设计时永磁体多采用径向或者切向形式,如图6(a)和图6(b)所示,形成的磁场沿永磁体的两侧对称分布。Halbach 结构利用了径向和切向阵列的特点,将二者结合起来,形成-种新的永磁体阵列,如图6(c)所示,从图中可以看出,径向结构与切向结构产生的磁场相互叠加,使得永磁体面向定子一侧磁场明显增强,而另- -侧磁场减弱[13]   ,以至于可以省去导磁铁轭。采用Halbach结构在省去导磁铁心的同时,确保定的转矩密度和功率密度,也因此成为无铁心电机中应用最广泛的一种永磁体阵列形式。

      根据Halbach结构的特征,可以总结出该永磁体阵列的优点!2) :

      (1)提高了永磁电机气隙磁密、转矩密度和功率密度,对减小电机的体积和质量有重大作用。

      (2)有利于实现无铁心电机的设计,能够避免铁心损耗,提高电机效率。

      (3)易于实现空间|磁场的正弦分布,可以减小电机的齿槽转矩,实现电机转矩脉动的减小。

在永磁体组成方面,每极下永磁体组成块数(即相邻两块之间的夹角)对电机气隙磁密有着重要的影响。图7Halbach阵列结构每极不同永磁体块数下气隙磁密的波形,而图8为不同永磁体块数下气隙磁密幅值和转子轭部磁密幅值[13],从图7可见,当每极下的永磁体块数越多时,气隙磁密的正弦度越好,图8则说明永磁体块数越多,气隙磁密的幅值越大,转子轭部磁密幅值越小。因此,通过增加每极下永磁体块数的方法可以改善电机的气隙磁密,达到提高电机性能的目的。但每极下永磁体块数越多,加工难度越大,成本越高。综合判断,选择每极下3(相邻两块夹角为60°)永磁体或者4块永磁体(相邻两块夹角为45°)比较合适。

与常规永磁体相似,永磁体厚度对Halbach结构气隙磁 密作用明显,探讨永磁体厚度的设计也是Halbach结构无铁心电机的重要研究内容。图9为不同永磁体厚度下Halbach结构和传统永磁体结构气隙磁密的比较[23-241   在永磁体厚度较小时,Halbach结构气隙磁密幅值与常规结构的气隙磁密幅值接近并均较小,随着永磁体厚度的增加,传统结构的气隙磁密幅值大于Halbach结构的气隙磁密,在某一厚度时(5mm)达到最大值,厚度继续增加时,两者的差距减小,并在另一厚度(11mm)Halbach气隙磁密实现对传统结构磁密幅值的反超,由此可以得出,采用Halbach结构时,在成本保证的条件下,可以加大永磁体的厚度来增加电机的气隙磁密。

9永磁体厚度对不同结构永磁电机气隙磁密的影响

      Halbach结构对无铁心电机的设计有着明显的促进作用,但在设计时不得不考虑实际的加工条件。Halbach 结构的加工方式可以分为环形充磁和组合拼装加工两种方式,前者的效果十分理想,但以目前加工水平及充磁方式来看难度极大,国内只有少数研究单位能够完成,且成本较高,周期较长,故Halbach结构加工多采用拼装方式,按照事先定好的相邻两块永磁体之间的夹角对永磁体进行充磁,再利用专门设计的工装夹具将永磁体固定在转子轭部上[2]。目前,组合拼装加工技术已经比较成熟,生产的电机效果也基本满足要求,但仍费时费力。2 SMC 永磁电机

      无铁心电机在体积、重量和转矩脉动上有着突出优点,可以应用于军事装备、航空、船舰等对成本考虑较少的场合,但对于民用、工业应用等场合,增加永磁材料带来的成本提升势必会影响其进一步发展。文献[7]Halbach无铁心电机与同等功率和转速的有铁心电机进行比较,无铁心电机虽然在效率上提高了12%,重量下降了45%,并且功率密度得到了82%的提升,但是成本却增加了109%,显然普通应用难以接受。SMC电机与无铁心电机的区别是其采用软磁材料取代了电机铁心,牺牲了无铁心电机在重量和铁心损耗等方向的部分优势,取得了成本上的进步,弥补了无铁心电机在某此领域的缺陷。

      2.1   SMC材料

      SMC是一种新型软磁材料,是将高分子树脂或者低熔点的金属与软磁粉末均匀混合后,采用模压、层压或者引拔等方式制成的特定材料,一般用于制造电机铁心、槽楔等  

      文献[26]研究了层压铁粉SMC,该种材料中,高分子树脂为基本相,决定了材料的耐热性能;玻璃布为增强相,决定材料的耐压性等力学性能;铁粉为导磁相(直径约0.01mm),决定材料的导磁性能。材料经过混合、均匀搅拌、压制成型和热处理后可以得到理想的形状。相比于传统硅钢片而言,SMC具有各向同性、铁心涡流损耗小、密度小、成本低、易于制成各种形状并且加工过程简单等优点,相较于无铁心电机,则可以在减小永磁体厚度的同时保证气隙磁密和电机质量、成本,在特定领域具有重要意义;但该材料的瓶颈问题是材料的力学性能与导磁性能不匹配,即如何在具有良好机械强度的同时具有满足条件的导磁性能。

      在电气相关领域,SMC的导磁性能是研究人员在研究过程中重点关注的,图10为几份环氧树脂铁粉SMC样品的磁化曲线,在质量上占比各不相同,可见SMC的磁导率较低,饱和磁密较小,但是磁密饱和时磁场强度的值较大,约为5000A/m,相比较而言,硅钢片饱和时的磁场强度约为2500A/m,换言之,SMC材料的饱和电流更高,过载能力更强。

2.2
SMC材料电机
SMC具有各向同性,特别是温度和磁性能方面的各向同性,使得SMC材料相比于硅钢片平面性能好而垂直磁性能差的特点,更适合于三维磁通电机,因此目前SMC材料主要被应用于设计三维磁路电机的铁心,即轴向磁通电机和横向磁通电机。
文献[27-31]研究内容均为轴向磁通SMC永磁电机,涉及内容众多:有采用单定子单转子结构形式[27 ]   ,有双定子单转子形式28]   有涉及SMC加工工艺问题[29]   有研究电机铁心损耗与出力问题[30]。文献[31]还比较了两台转子铁心分别由实心钢和SMC制成的轴向磁通电机,定子均为SMC材料,其中SMC转子铁心电机的定转子如图11所示。相比于实心钢材料,电机的空载损耗减小了19% ,   同时效率提高了12%。即便优点诸多,但想用SMC材料取代硅钢片材料,仍然有众多亟待解决的问题。

横向磁通电机设计的初衷是解决槽宽与齿宽之间的矛盾,增大电机的转矩密度和功率密度。图12为一台横向磁通电机的定转子结构[32 -33]   其中定子由SMC制成,电枢绕组沿电机周向绕制,齿槽与定子线圈在空间上为垂直关系,齿槽尺寸与线圈尺寸并无直接关系,主磁通沿着电机轴向流通,而气隙磁通的方向则为径向。传统硅钢片横向磁通由于永磁体排布和槽口的关系,电机漏磁较大,转矩波动明显,功率因数较低,使用SMC材料可以有效改善这些缺点。
另外,爪极式电机是目前SMC应用较多的一-类电机,如图13所示。文献[34 -37]针对SMC爪极式电机进行了多方面深人研究:采用低密度模压方式制作SMC铁心(34);设计了专门用于SMC三维磁特性测量的仪器,推导了SMC爪机电机的铁心损耗计算方法,对该类电机三维计算进行了优化,同时还针对该类电机的特点对其驱动电路结构进行了优化等等[36],为SMC材料在永磁电机上的应用做出了巨大贡献。而SMC材料爪极式电机与传统硅钢材料电机的比较更是表明,基于SMC材料永磁电机可以实现高频运行时比传统硅钢电机更低的铁心损耗和更高的效率

  

2.3   铁损分析

      电机设计时,如何减小损耗一直 是电机研究的重点,特别是在电机高速运行过程中。SMC材料电机与传统硅钢片电机损耗不同点很大程度在于铁心损耗上,故分析时焦点大多集中于铁心损耗。与传统电机类似,SMC 电机铁心损耗的影响因素较多,如SMC材料特性,加工工艺、电机运行频率等等,传统电机铁心的经验计算方法并不一定适用于SMC电机,因此需要探讨SMC电机的特性并寻找合适的铁耗计算和削弱方法。
      电机的铁耗主要包括涡流损耗、磁滞损耗和附   加损耗。其中,涡流损耗是闭合铁心在外加磁场作用下感应出的环形电流圈产生的热量,由于SMC中的铁粉颗粒细小且相互绝缘,磁场变化感应出的环形电流很小,故SMC电机的涡流损耗比硅钢片电机小,即使是在高频下。然而因为SMC材料的特殊物理性质,其磁滞损耗远大于硅钢片的磁滞损耗,故在忽略附加损耗的情况下,低频下的SMC材料电机铁耗大于硅钢片材料电机,而当硅钢片涡流损耗随着电机频率增大到某一值时, SMC材料电机铁耗才小于硅钢片电机铁耗,因此SMC电机般设计运行于较高频率下[3-3)]。目前对于SMC应用于永磁电机时的铁心损耗分析还未深人,低频下铁心损耗的量化以及改善设计也有待进步研究。

      另外,含有一定比例铁粉的结构胶用于图3所示的无铁心定子的制作,使得电枢绕组间隙由具有一定导磁能力的结构胶填充,将使得原无铁心电机的性能发生改变,转矩密度提升,相关设计与分析技术值得研究。3结语

      本文通过对现有无铁心电机和SMC电机文献总结和归纳,可以得到如下几方面的结论:

      (1)无铁心电机可分为定子无铁心、转子无铁心和定转子均无铁心3种,根据电机类型的不同,无铁心电机的绕组和永磁体有多种不同的安装方式。

      (2)无铁心电机中,为保证一定 的气隙磁密,需要对永磁体的结构进行设计,包括永磁体的排布和尺寸,并且需要考虑现有电机加工工艺和成本的影响。

      (3)无铁心电机虽然对电机在体积、重量、转矩和效率上有所提升,但其成本往往也会增加,而SMC电机可以一定程度上弥补无铁心电机的劣势,是永磁电机研究的另一个重要研究方向。

      (4)SMC的导磁率较低,但材料磁密饱和时的磁场强度较大,并且在轴向磁通和横向磁通等三维电机中得到了较深人的应用;相应的铁心损耗分析却还未得到充分研究,将是未来SMC电机研究的一个重要分支。




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