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软磁复合材料与硅钢片材料的永磁电机性能差异研究

赵国新;孔德财;高晓林

【摘 要】 软磁复合材料是由表面带有绝缘的金属粉末颗粒压制而成,具有涡流损耗 小、各向同性的特点,近年来得到了一定的应用,但其磁滞损耗大,磁导率低,所以其适 用场合及与硅钢片性能的具体差异还需要进一步的深入研究.该文首先利用环形试 样法测试软磁复合材料的磁特性,得到其空载磁化曲线和不同频率下的损耗数据.然 后,为对比分析软磁复合材料和硅钢片材料在电机应用中的差异,分别使用软磁复合 材料和硅钢片设计两台永磁同步电机,分析计算两种材料电机的磁场、铁耗以及铁 耗在不同频率下的变化规律.最终通过样机测试掌握了两种材料在永磁电机中应用 的差异,验证了计算的准确性,总结了软磁复合材料的应用范围.
【期刊名称】 《电工技术学报》
【年(卷),期】 2018(033)0z1

【总页数】 7 页(P75-81)

【关键词】 软磁复合材料;损耗测试;永磁电机;实验对比
【作 者】 赵国新;孔德财;高晓林

【作者单位】 沈阳工业大学电气工程学院 沈阳 110870;沈阳工业大学电气工程学 院 沈阳 110870;沈阳工业大学电气工程学院 沈阳 110870
【正文语种】 中 文
【中图分类】 TM351

软磁复合材料( Soft Magnetic Composite materials, SMC )是采用粉末冶金技 术将预先混合的高纯度带有绝缘层的铁粉与有机材料模压成型得到，近年来在电机 等领域中得到了广泛的研究与应用[1-4]。 SMC 材料可以直接模压成型的特点使电 机结构、电磁设计更加灵活多样和新颖，为电机的应用、发展开辟了新方向，吸引 了广大研究学者[5-7]。 SMC 材料电阻率高、涡流损耗低，使得 SMC 材料更适合 应用于高频电机中，但是 SMC 材料也有一些不可避免的缺点，如磁导率低、磁滞 损耗大等。因此， SMC 材料在电机中的应用规律及特点仍有待进一步深入研究。 文献[7]对 SMC 材料电机做了充分的研究，发现在不同转速、不同输出功率时， SMC 和硅钢片两种材料的电机性能不同，所做电机在 1 000r/min 和625r/min 时， SMC 材料电机效率低，在电机电流为 4A 时，效率分别比硅钢片电机降低了 28%和 34.7% ；在 1 500r/min 以上时， SMC 材料电机效率高，比硅钢片电机提 高了 3%。文献[8]也对比了SMC 材料和硅钢片材料制作的感应电机效率，发现采 用同样电源电压， SMC 材料电机效率低 7% ，但 SMC 电机对电源电压比较敏感， 降低电源电压后， SMC 电机效率可以提高，从 220V 降低到 180V ，效率提升了 4.7% ，但总体上 SMC 电机的效率低于硅钢片电机，在电源电压为220V 和 180V 时，分别低了 10.3%和 6.7%。
虽然 SMC 材料已经有了一定的研究和应用基础，但是其在电机中应用的特点、场 合、规律以及和硅钢片在不同运行频率时的特性差异仍然需要研究。为研究 SMC 材料的特性，分析其与传统硅钢片的区别，本文首先对 Hoganas 公司生产的型号 为 Somaloy700 的 SMC 材料进行磁特性测试，并且和常用的 0.5mm 厚度的硅钢 片 DW470 进行对比；然后分别以 SMC 材料和 DW470 为铁心材料设计两台相同 尺寸和参数的永磁同步电机，对两台电机进行磁场分析、损耗计算，分析两种材料 制造的样机的特点和差异；最后制造出样机，并进行测试，得出这两台样机的性能 差异。通过本文的分析对比可以总结出 SMC 材料的特点，得到 SMC 材料和硅钢

片材料电机性能的差异以及 SMC 材料的适用场合，从而可以为SMC 材料在电机 中的应用总结出一定的规律。
虽然 Hoganas 公司能提供 SMC 材料的磁特性数据，但数据点少，并不能全面反 映材料特性。同时，由于工艺原因，受压力、铁颗粒和绝缘材料的结合程度的影响， 每一批次的软磁复合材料的磁特性会略有差异。为了获得更多的数据，得到更完整 的磁化曲线和损耗曲线，因此重新测试 SMC 材料的磁特性是非常必要的。
SMC 材料类似钢材，适合应用环形试样法测量。根据GB/T 3658—2008 制作测 试样品，样品外径、内径分别为 100mm、 90mm ，厚度为 10mm ，测试初级绕 组和次级绕组分别为 160 匝和 10 匝，制作的测试试样如图 1a 所示。使用 BROCKHAUS 硅钢测量装置对试样进行测试，如图 1b 所示。
根据测试数据，得出 SMC 材料的磁化曲线，硅钢片 DW470 和 SMC 材料的磁化 曲线对比如图 2 所示。根据图 2， SMC 材料在 1T 时磁化曲线出现拐点， 1.5T 时 饱和，拐点和饱和区都远低于硅钢片材料。根据磁化曲线计算的两种材料的相对磁 导率见表 1。根据表 1， SMC 材料磁导率明显低于硅钢片，特别在 1.4T 以下时， 其磁导率仅是硅钢片的 5% ；当磁通密度高于 1.4T 时，磁导率增加，达到硅钢片 磁导率的 35% ，但总体而言 SMC 材料磁导率比普通硅钢片低得多，这是由于 SMC 材料特殊的物理结构，其由带有绝缘的铁粉粘结而成，不导磁的绝缘层导致 了其磁导率相对较低。显然，在相同励磁的情况下， SMC 材料的磁通密度小于硅 钢片。对永磁电机，励磁是由永磁体来完成的，要产生相同的磁通， SMC 材料需 要更多的磁铁；而对电励磁电机，应用 SMC 材料，需要更大的励磁电流，会导致 电机损耗大，效率低。
为分析两种材料的损耗特性，得到完整的损耗曲线，对两种材料进行不同频率下的 损耗测试，当磁通密度为 1T 时， SMC 材料和 DW470 材料的比损耗测试结果见 表 2。根据表 2 ，两种材料随着频率的升高，比损耗都是增加的， 400Hz 是一个关

键频率点，在 400Hz 以下时，硅钢片材料的比损耗比 SMC 材料的比损耗小；当 频率高于 400Hz 时，软磁复合材料的比损耗低于 DW470 材料，这说明 SMC 材 料在高频(400Hz 以上)应用时具有一定优势。
为验证 SMC 材料在电机中的应用效果，研究频率对电机性能的影响，需要制作样 机进行详细测试。为了和硅钢片进行对比，制作两台尺寸、参数相同仅铁心材料不 同的电机，通过实验测试对比两种材料电机空载、负载特性的差异，根据不同工况 下的实验比较两种材料电机性能的差异，总结出 SMC 材料的适用范围。
根据磁特性测试结果， SMC 材料只有在高频时才能发挥优势，为验证 SMC 材料 在电机中的应用效果，研究频率对电机性能的影响，电机的设计要考虑电机能够工 作在高频 400Hz 以上。高频带来的问题是电机的转速高，实验测试有一定困难， 所以电机设计时采用多极方案，保证电机可以工作在高频，但工作转速在实验室的 测试允许范围内。综上，样机设计为 16 极、切向永磁体，电机截面如图 3 所示， 其主要参数见表 3。
采用有限元方法对样机进行电磁场计算，分析两样机的径向气隙磁通密度，结果如 图 4 所示。由于 SMC 材料磁导率较低，使得两者气隙磁通密度相差较大， DW470 电机的气隙磁通密度最大值为 1.205 7T ，而 SMC 材料电机的气隙磁通密 度最大值为 1.038 4T ，比硅钢片电机的磁通密度低了约 13.9%。计算得到样机在 3 000r/min 时反电动势波形如图 5 所示，在 1 000r/min 时，两种材料的反电动 势分别为 32.5V 和 35.3V， SMC 材料的电机反电动势低了 7.9%。
永磁同步电机铁心内不仅含有交变磁场，还有旋转磁场，因此要准确计算电机铁耗， 则需要使用考虑谐波和旋转磁场影响的铁耗计算模型。由于旋转磁化下的损耗系数 难以确定，文献[9,10]通过将旋转磁场分解成两个相互正交的交变磁场，从而能够 通过交变磁场的铁耗系数来计算考虑旋转磁场影响的铁耗。文献[11]应用考虑谐波 和正交分解旋转磁场的铁耗计算模型计算了高速永磁同步电机的铁耗，并通过实验

对比，验证了计算模型的准确性。在该方法中，定子铁心磁滞损耗为 涡流损耗为
( 2 )
附加损耗为
式中， Br 和 Bt 分别为磁通密度的径向和切向分量；下标 k、 m 分别为 k 次谐波的 分量与幅值；、、和分别为磁滞、涡流、附加损耗系数和材料磁系数。
由铁耗分析模型可知，铁耗系数、、和是关系铁耗计算是否准确的重要参数，本文 使用 SPSS 统计软件对环形试样法测量的 SMC 材料不同频率下的损耗值进行非线 性回归分析，得出具体参数值，并且和 DW470 材料进行对比，两种材料的损耗
系数对比见表 4。根据表 4， SMC 材料的磁滞损耗系数是 DW470 的 4 倍，涡流 损耗系数是硅钢片的 1/3 ，显然 SMC 材料的磁滞损耗非常大，而涡流损耗却很小。 采用上面提到的考虑谐波和旋转磁场影响的铁耗计算模型，对两样机的铁耗进行有 限元计算，不同转速时铁耗如图 6 所示。对比两样机的铁耗计算值，可以看出在 1 000r/min ，即频率为 100Hz 时， DW470 材料电机损耗要比 SMC 材料电机小 27% 左右，而随着转速的升高，两者损耗逐渐接近；当转速到达 3 000r/min ，即频率 为 400Hz 时， DW470 样机铁耗和 SMC 样机的铁耗近似相等；当转速大于 3 000r/min ，即频率大于 400Hz 时， SMC 材料的电机铁耗要小于 DW470 电机的 铁耗，并且频率越高，这种差值越大。
进一步分析样机的磁滞、涡流损耗，分别计算出两种材料样机的磁滞、涡流损耗占 比，如图 7 所示。随着转速(频率)的增加，两样机涡流损耗占铁耗的比例也逐
渐增加，但 SMC 材料的涡流损耗增加较缓慢。当转速从 1 000r/min 增到 10 000r/min 时，涡流损耗占比从 4.5%增加到 32%。而 DW470 电机的磁滞、涡流 损耗占比在 2 200r/min (290Hz)左右时近似相等，随着转速增加到 10 000r/min ，涡流损耗占铁耗的 82%。进一步说明当电机工作频率较高时，涡流损

耗占主要地位时，更适合应用 SMC 材料。
为验证理论分析的正确性，分别用硅钢片和软磁复合材料制造样机。采购的 SMC 材料最大厚度为 20mm ，所以用两个叠在一起构成厚度为 40mm 的铁心，定、转 子槽采用线切割方式加工。
SMC 材料是用铁粉压制而成，加工后定子铁心槽口高度较小，在电机定、转子装 配时，由于定、转子铁心的刮撞，槽口处特别容易“掉渣”，转子安装后导致电机 “扫膛”。为解决这一问题， SMC 样机定子的内径、转子外径处都涂一层树脂类 胶水，这样固化后，可以增加铁心表面的强度，电机装配、运行都没有出现任何故 障。 SMC 材料制作的样机定子和转子如图 8 所示。硅钢片制作的电机如图 9 所示。 对两台样机进行反拖，测试反电动势波形，如图 10 和图 11 所示。将测试值折算 到 1 000r/min， SMC 材料电机和硅钢片材料电机的反电动势分别为 30.3V 和 33.6V，SMC 材料电机的反电动势降低了 9.8%。和反电动势的计算值相比，两种 材料测试误差分别为 7.3%和 5.1%。反电动势测试误差比较大， SMC 材料电机的 测试误差主要是由于环形试样法测试的磁化特性曲线的误差所引起，而 DW470 材料电机的误差主要是因为隔磁磁桥的加工误差和冲片叠压松紧度所致。
在 Magtrol 测试平台上对两台电机进行负载测试，测试平台如图 12 所示。采用变 频器对两台电机施加不同频率，测试其负载特性。不同频率下两样机的效率曲线如 图 13 所示。根据图 13 可知，在频率低于 400Hz 时， DW470 的电机效率高于 SMC 材料的电机，且频率越低，这种差值越大，在 100Hz、 300Hz、 350Hz 时 电机的最大效率差分别为 5%、 3%、 2% ，但是在 400Hz 时，两台电机的效率基 本相等，差别在 0.5%以内，这和上文关于损耗计算的规律相同，验证了计算方法 的准确性。
值得注意的是，由于两台电机的反电动势不同，所以测试时两台电机的外加电压不 同，但是每组测试数据均通过调整电压，使电机效率尽量达到最高，但此时电机电

流不同，如在 400Hz 时电机随负载变化的电流曲线如图 14 所示。由于两台电机 绕组参数、工艺一致，所以电阻相同，根据图 14， SMC 材料电机在各个工作点的 电流都大，也就是铜耗大，但两台电机效率却基本相同，说明 SMC 材料的铁耗在 高频时比较小，这与上文计算结果相符。
为对比硅钢片材料和软磁复合材料在电机中应用时性能的差异，本文设计、制造了 两台分别以 SMC 材料和 DW470 为铁心的永磁同步电动机，结合有限元计算和实 验研究得出如下结论：
1 )基于环形试样法对 SMC 材料的磁特性进行测试，得出了SMC 材料的磁化曲 线和损耗曲线，通过和 DW470 的对比，发现 SMC 材料的磁导率比较低；两种材 料随着频率的升高，比损耗均增加， 400Hz 是一个关键频率点，在 400Hz 以下时， 硅钢片材料的损耗比 SMC 材料的损耗小；当频率高于 400Hz 时，软磁复合材料 的比损耗低于 DW470 材料。
2 )根据空载实验， SMC 样机的反电动势比 DW470 电机小，这与理论计算相符， 验证了 SMC 材料的磁导率低这一特点。对两样机进行负载实验，结果显示在频率 低于 400Hz 时， DW470 材料电机效率高，但是随着频率的增加，两种材料制造 的样机效率差值越来越小，在 400Hz 时，两者的频率基本相同，这和理论计算得 到的规律相符，说明了 SMC 永磁同步电机在中高频时有很好的性能，能够抵消磁 导率低和磁滞损耗大的缺点，具有较好的应用前景。
3 )因 SMC 材料易碎，设计时应适当增加厚度，尽量避免设计尖锐的棱角，加工 后应该用胶或环氧树脂涂抹以增加铁心的强度，防止“掉渣”。

赵国新 男， 1979 年生，博士，讲师，研究方向为永磁电机系统及其控制。

E-mail：

(通信作者)

孔德财 男， 1987 年生，硕士研究生，研究方向永磁电机理论与设计。 E-mail：
【相关文献】

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