文 | 煜捷史馆

编辑 | 煜捷史馆

-＜磁性复合材料与电动机＞-

广泛应用于各个领域的电动机的高效率对于防止全球变暖是必不可少的。

汽车和飞机推进电机电气化的进展将增加对大范围内高效率的需求。

内部永磁同步（IPM）电机，其结构是将永磁体嵌入转子内部，对提高效率很有效。

IPM电机的弱化场电流控制允许从低速到高速旋转的宽广工作范围。

此外，通过利用磁阻转矩，场弱化电流可以有效改善转矩性能。

在高速旋转区域的弱化场电流降低了反电动势常数，使工作区域得以扩大，但它往往会增加铜和铁的损耗。

接下来，煜捷将为你讲述磁性复合材料是如何通过插入转子，来降低可变磁通电动机损耗的。

可变磁通电机已经被提出来，以实现从高扭矩到高速范围的宽广驱动范围内的高效率运行。通过控制来自外部的场磁通量来实现可变扭矩常数。

转子附近的高矫顽力磁铁中的低矫顽力磁铁组合也实现了可变场磁。低矫顽力磁铁形状和转子插入位置决定了变磁场电机的高效率范围。

有人提出了一种平行插入式的混合永磁电机，具有高效率、高速度和宽磁化调节范围。此外，永磁体已经被设计成可以实现可变磁场。

此外，一种用于轮式电机的轴向电机，用场内绕组控制热固性树脂的磁化状态以改变场内磁通。定子线圈的脉冲电流修改了低磁力磁铁的磁力，从而控制了磁通。

然而，这些电机必须增加变频器的容量，增加线圈和执行器，并使机构复杂化。因此，需要一个具有可变磁通量的简单结构。

因此有人提出了一种可变漏磁(VLF)电机，它只能通过一般电机中使用的矢量控制获得可变磁通的效果。

这种电机的转子铁芯中有一个磁通屏障，其形状考虑到了来自定子的电枢反应。

控制电枢电流的大小和相位以实现从永磁体到线圈的磁通互连，从而产生可变的磁通。

磁铁的磁通在转子中被短路，这导致在高速旋转和低转矩区域对电枢的互连磁通的减少。

这种现象实现了由反电动势常数的减少引起的场弱化电流的抑制。

由于磁通饱和，VLF电机具有较大的可变突出磁极特性，因此很难高精度地估计转子位置。

实时获取电机参数可以实现对VLF电机的无传感器控制，从而考虑到磁通饱和。

利用磁性复合材料（缩写为MC电机）的可变磁通量电机的性能。磁性复合材料是由磁性粉末和树脂结合并烧结而成的。

这种材料具有独特的磁性，通过改变磁粉的类型可以很容易地控制饱和磁通密度和磁导率。

高速旋转电机的损耗主要是由磁通量的大时间波动引起的空间谐波影响。

在定子中使用具有精确控制磁导率的磁性复合材料可以有效降低高速旋转电机的空间谐波。

MC电机通过利用磁性复合材料的磁通饱和度来获得可变的磁通特性。

磁性复合材料被引入转子磁通屏障，该屏障已经被定子的电枢反应磁饱和了。

由于磁饱和而产生的可变磁通量扩大了中高速旋转范围内的高效率范围，从几千到一万转。

磁性复合材料的插入位置和磁性特征也是可变磁通的参数。磁性复合材料的插入位置和磁性特性都可以成为可变磁通量的变量，从而提高可变磁通量的可控性。

此外，对于高转速，转子磁体之间的薄桥的机械应力趋于增加。调整复合磁性材料的插入位置也会减少机械应力。

-＜交叉配置＞-

A. 电机配置

下图描述了本文中使用的MC电机的配置。该电机的构造是将磁性复合材料插入转子的磁通屏障中。

为了进行比较，使用了IPM和VLF电机；VLF电机具有可变磁通特性，类似于MC电机。

试验电机的规格见表1；它有6个极和45个槽，定子的外径为176.1毫米，轴向长度为100毫米。

这三种类型的电机的定子是相同的，唯一的区别是转子永磁体之间的磁通量屏障的配置。

B. 磁性复合材料的特点

如图(a)所示，磁性复合材料是通过将磁性粉末与树脂混合和烧结而制造的。

为了防止涡流，从而减少磁性复合材料中的铁损耗，磁性粉末被分散并混合在树脂中。

这种特性可以有效地减少100,000 rpm的超高速旋转电机和超过10 kHz的高频变压器的铁损。

磁性复合材料的磁导率和饱和磁通密度比电工钢板和其他磁性材料低，如图（b）所示。

然而，只要改变磁性复合材料的材料和复合比例，就可以很容易地调整饱和磁通密度和磁导率。

此外，制造时不需要加压过程，如尘芯，从而可以低成本地形成柔性结构（散装或片状）。

C. 可变磁通的原理

下图显示了一个MC电机的横截面结构。通过利用磁性复合材料的磁饱和度实现的可变磁通效应，扩大了中高速旋转范围内的高效率。

图（a）和（b）分别显示了MC电机在低扭矩和高扭矩作用下的磁通状态。

在低扭矩下，磁铁的磁通通过复合材料被短路，减少了连接定子的磁通数量。

然而，磁通很容易与定子连接，因为在高扭矩时，由于电枢的反应，磁性复合材料的磁饱和了。

通过定子的磁通量的变化导致了图（c）中描述的可变扭矩特性。

MC电机利用了磁性复合材料容易出现磁饱和的事实。

经常用于电机铁芯的电工钢板具有超过1.5T的饱和磁通密度和几千到一万的相对磁导率，以避免磁饱和并获得高扭矩。

另一方面，磁性复合材料的饱和磁通密度约为1T，相对磁导率为10-50。

可变的磁导率已经通过诱导带有额外定子绕组的电工钢板的磁饱和度得到了证明。

通过积极利用磁性复合材料的磁饱和度，不需要使用额外的绕组就可以获得MC电机的可变磁通效应。

D. MC电机的优势

通过使用磁性复合材料，预计MC电机会有以下优势。

利用磁性复合材料的磁饱和度的可变磁通效应，抑制了中高速旋转过程中的磁场电流的减弱，降低了铜损。

与VLF电机相比，在永磁体之间插入磁性复合材料会导致更高的q轴电感，从而增加场弱区的磁阻扭矩。

在永磁体之间使用磁性复合材料可以减少转子磁阻随旋转角度的变化，从而抑制空间谐波。这种效果可以减少中高速范围内的铁损。

如下图所示，1）和2）的效果扩大了中高速范围内的高效率范围。

磁性特征以及磁性复合材料的位置，影响着MC电机的可变磁通特性。增加可变磁通参数可以提高机械强度，从而实现灵活的电机设计。

-＜电机效率特性＞-

A. 磁性复合材料的磁特性

图（a）和（b）分别显示了铁损特性和磁化特性的测量结果。

铁损特性是用B-H分析仪（SY-8218: IWATSU ELECTRIC CO., LTD.）测量的。

该磁性复合材料使用平均粒径为40微米的Fe-Si-Al（Sendust）磁性粉末和环氧树脂。

磁性复合材料是通过混合、搅拌和烧制磁性粉末，其体积比为69vol.%。

磁性复合材料的磁性粉末是用64体积％的Fe-amorphous合金（Fe-AMO）和67体积％的Fe-硅（Fe-Si）制备的。

考虑到材料的粘度，每种磁性粉末的混合比例为上限值。

与其他材料相比，使用Sendust的磁性复合材料的铁损失是最低的。

磁性复合材料的饱和磁通密度和相对磁导率比磁性钢板低。

Sendust的磁化特性介于其他两种类型之间。复数比磁通实部μr '为16，饱和磁通密度Bs为0.8T。

使用森尘的磁性复合材料，其铁芯损耗最低，用于MC电机。

B. 转矩特性

电磁场仿真显示了MC电机的扭矩特性、效率特性和损耗特性。

分析条件如下表所示；并采用JMAG-Designer的二维有限元方法。

在分析中，磁饱和度的磁特性是通过外推法近似的。

下图显示了MC和IPM电机的扭矩特性。

IPM电机的扭矩常数比MC电机大，并且与电流呈线性关系。

另一方面，MC电机在低电流时的曲率比线性近似线大，在高扭矩时恢复到线性，表明了可变磁通电机的效果。

在低转矩/高速旋转时，这种效应降低了反电动势常数，抑制了场弱化电流，降低了铜损。

下图描述了MC电机的磁通密度分布。

在零负荷时，永磁体的磁通会短路转子，而定子的互连磁通则被抑制。高电流扩大了磁性复合材料的饱和区域。

在30-A的负载下，大多数磁性复合材料的磁饱和度超过1T，而定子的磁通联动也在增加。

MC电机中的磁通分布随着电流的变化而变化，表明磁性复合材料实现了可变磁通。

MC电机采用与VLF电机相同的原理来实现可变磁通，可以改变漏磁通的数量。

-＜机械应力缓解＞-

在第三节中，通过使用由Sendust组成的磁性复合材料，证实了用可变磁通量扩大高效率范围的效果。

本节解释了磁性复合材料的大小是如何影响电机的高效区和机械应力的。

A. 磁性复合材料的机械性能

一个哑铃状的试样被用来测试由Sendust组成的磁性复合材料的拉伸强度。

为了测量伸长率，一个应变仪（KFG-10-120-C1-L1M2R；Kyowa Dengyo Co., Ltd.）被连接到测量样品的中心。

使用拉伸试验机以1毫米/分钟的速度测量拉伸载荷和应变计位移（Autograph AG-300kN Xplus; Shimadzu公司）。

应力测量的结果显示在图中，这表明磁性复合材料几乎没有拉伸到其最大的断裂强度。

拉伸强度和断裂强度均为31.4MPa，纵向弹性模量（杨氏模量）为27.4GPa。超声法得出的泊松比为0.28。根据水位移法，重量密度为5.32 kg/m3。

B. Von MISES应力比较

冯-米塞斯应力经常被用于电气钢板的桥梁部分的强度分析。本文也着重于电气钢板的桥架部分的应力分析。

通过JMAG-Designer的二维有限元法结构分析，评估了电机转子在8,000rpm时的von Mises应力。

下表显示了结构分析的条件，其中磁性复合材料的物理特性是测量结果。

永磁体和磁性复合材料的接触和粘附条件被考虑在内。还分析了假定为脆性材料的磁性复合材料的最大拉伸应力。

-＜结论＞-

我们提出了一种可变磁通量电机，通过在转子中嵌入磁性复合材料来利用磁饱和度。磁性复合材料的饱和磁通密度和磁导率明显低于电工钢片。

它们的磁性能是通过改变材料中磁性粉末的混合比例来控制的。所提出的技术在低负载下实现了扭矩曲线，这意味着通过使用磁性复合材料产生了可变的磁通。

由于其较低的相位，所提出的电机在8,000转/分时，电流减少了32.7%。此外，与IPM电机相比，MC电机抑制了空间谐波，减少了72.8%的铁损。

由于这些减损效果，96%的高效率范围被扩大到IPM电机的两倍以上。

此外，机械应力受转子永磁体之间的桥的厚度影响。根据磁性复合材料的物理性能测量结果，证实了桥距对高效区和机械应力松弛的影响。

与其他电机相比，具有较宽电桥的MC电机具有较小的扭矩损失，并能减少大部分应力。