山东大学徐衍亮团队特稿：软磁复合材料-Si钢组合铁心盘式横向磁通永磁无刷电机
徐衍亮，山东大学教授，博士生导师，博士，微电机编委，IJAEM编委，中国电工技术学会直线电机专委会委员。研究方向永磁电机及特种电机的设计及控制、电动汽车电驱动系统研究、磁悬浮轴承的设计及控制。
作为负责人或主研参与50余项科研项目的研究，包括国家自然科学基金项目、国家863计划项目、山东省科技重大专项（新兴产业）、山东省2017年重点研发计划等。在IEEE Transaction、IET、中国电机工程学报、电工技术学报等国内外学术刊物发表学术论文60余篇，已授权发明专利12项。
崔波，山东大学硕士研究生，研究方向为永磁同步电机矢量控制技术。曾参与包含国家自然科学基金、国家863计划项目、山东省重点研发计划项目在内的科研项目6项，发表论文5篇。目前就职于国网山东省电力公司临沂供电公司。
盘式横向磁通电机（DTFM）电磁负荷相互解耦，功率密度高，轴向长度短，具有很好的应用前景。本文基于DTFM的原理特点以及软磁复合材料（SMC）和叠片硅钢材料（Si-Steel）两者间铁磁性能的互补性，提出SMC和Si-Steel组合（SMC-Si）铁心DTFM。
该种电机主要采用SMC定子齿和Si-Steel定子轭组合方式，可以充分利用SMC材料和Si-Steel材料的优势，避免或削弱其缺点，提高DTFM的性能，同时提高了电机的机械强度、降低了电机的加工装配难度。SMC定子极靴的存在对降低电机有效气隙、提高永磁体的利用率以及降低电机的齿槽转矩具有重要意义。
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190594
盘式横向磁通永磁无刷电机（简称为DTFM）综合了盘式永磁无刷电机、分数槽集中绕组永磁无刷电机及横向磁通永磁无刷电机的综合优势，具有高效、高功率密度、高转矩密度特点。但传统的Si-Steel定子铁心DTFM存在槽满率以及减小有效气隙的矛盾。
软磁复合材料（SMC）作为一种新型软磁材料可用于电机设计，具有高频铁耗低、磁热各向同性的特点。因此，SMC材料更适用于具有三维磁路的永磁电机中。但SMC电机也只利用了SMC材料的各向磁同性的优点，其低频铁耗高、导磁率低的缺点并没有避免或削弱。
因此需要充分利用SMC材料和Si-Steel材料的优势，避免或削弱其缺点，开发出高性能的永磁电机。
本文针对传统Si-Steel C型铁心DTFM的缺点，提出一种以SMC为定子极靴、以Si-Steel为定子极身的3相10转子极12定子极SMC-Si组合C型铁心DTFM。图1给出了SMC-Si铁心DTFM结构图。
由于增加了由SMC材料制成的定子极靴，使电机具有降低电机有效气隙、提高永磁体的利用率、降低电机的齿槽转矩的优势。同时，由于SMC定子极靴厚度较小而截面积较大，克服了SMC磁导率低、低频运行铁耗较高的缺点。
图1 SMC-Si铁心DTFM结构图
为验证SMC定子极靴对提高DTFM性能的意义，对不同材料定子模块铁心DTFM进行性能比较。采用三维电磁场的有限元方法，得到三种电机在额定转速3000r/min下的空载相电动势波形如图2所示。
可以看出， SMC-Si铁心DTFM的永磁相电动势最高，这是由于SMC-Si铁心DTFM的定子极靴减小了有效气隙；SMC铁心DTFM永磁相电动势最低，这是由SMC材料导磁率低造成的。
图2 三种电机空载相电动势波形比较
图3为三种电机的齿槽转矩波形比较。可以看出，三者具有相近的齿槽转矩，
图3 三种电机的齿槽转矩波形
由于SMC-Si铁心DTFM采用了SMC定子极靴，本身有助于削弱齿槽转矩，并且具有更多进一步削弱齿槽转矩的方法。本文采取的方法包括调整定子极靴角度a、定子C型铁心两极靴的相对位置b、转子磁体极弧角度g，这些参数分别如图4所示。
图4 用于降低SMC-Si铁心DTFM齿槽转矩的参数
在给定电机结构尺寸的前提下，首先改变定子极靴角度a，齿槽转矩及相电动势的变化如图5所示。可以看出，随a的增大，电机齿槽转矩先降低后增大，在a=27°时具有最低齿槽转矩。随a的增大，永磁相电动势趋于降低。因此在采用调整a来降低齿槽转矩降低时，则需要考虑由此可能导致的空载相电动势的下降。
图5 a变化对SMC-Si铁心DTFM齿槽转矩峰峰值及相电动势的影响
然后改变定子极靴错角b，齿槽转矩及空载相电动势的变化如图6所示。可以看出，随b的增大，齿槽转矩降低，错角在3°-5°范围内，齿槽转矩变化较小，超过5°，再增加错角，齿槽转矩范围增加较快。值得注意的是，调整极靴错角对电机空载相电动势波形影响较小，因此调整极靴错角是一个较好的降低电机齿槽转矩方法。
图6 b变化对SMC-Si铁心DTFM齿槽转矩峰峰值及相电动势的影响
最后改变转子磁体极弧角度g，齿槽转矩及空载相电动势变化如图7所示。可以看出，在g增大时，齿槽转矩有先增大再降低然后再增大的变化规律。在g增大时，相电动势幅值变化不大，平顶宽度有所增大，显然磁体宽度增大后，永磁体气隙及齿顶漏磁增大，相电动势增大程度有所降低。
图7 g变化对SMC-Si铁心DTFM齿槽转矩峰峰值及相电动势的影响
本文提出的基于SMC-Si组合铁心DTFM用于电动汽车驱动，具有6kW144Vdc 3000r/min的额定参数。在额定转速在对样机进行空载实验，测得空载反电动势波行如图9所示。可以看出，样机电机三相空载相电动势波形正弦性及对称性良好。
图9 样机电机在3000r/min时的三相相电动势波形
图10 3000r/min 下有限元仿真结果与样机实测反电动势对比
对A相绕组反电势的实验结果与有限元仿真结果进行对比，对比结果如图10所示。由图可知，实验测出的反电势略小于有限元仿真结果。
在保持电压120Vdc不变的条件下，测试样机在不同转速下的负载特性。图11为不同转速下电机系统的效率曲线。其中效率是电机与驱动器的总效率，施加的载荷转矩从0N·m开始递增，增加步长为0.5N·m。
可以看出，600rpm转速下的电机系统可能已经工作在重载状态下，电机绕组电流高，定子铜耗大，因此其效率最低，仅有22%；其次为1000rpm转速下的系统效率约为68%；1500rpm和2000rpm转速下电机系统效率基本一致，约为75%。由此可以得出，当电压相同、转速不同时效率曲线有较大区别，随着转速的不断增大，相同电压下的最大效率点也逐渐增加，并且高效区间不断增大。
图11 120Vdc下不同转速和不同功率下的电机系统效率曲线
本文提出的SMC-Si组合DTFM比Si-Steel铁心DTFM和纯SMC铁心DTFM具有最高的空载相电动势，且三种定子铁心DTFM齿槽转矩相近。SMC极靴磁密低且厚度小，克服了SMC材料磁导率低、低频铁耗高的缺点。
SMC极靴结构使SMC-Si铁心DTFM具有更多的降低电机齿槽转矩的方法。经过对a、b、g参数的优化设计，可以使SMC-Si铁心DTFM具有很低的齿槽转矩。但在进行齿槽转矩降低的优化设计中，需要考虑由此导致的空载相电动势的变化。最后通过样机实验验证了所提出DTFM新结构的可行性。
徐衍亮, 崔波, 张文晶, 薛成勇. 软磁复合材料-Si钢组合铁心盘式横向磁通永磁无刷电机[J]. 电工技术学报, 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.