山东大学徐衍亮团队特稿：盘式横向磁通永磁无刷电机的新结构

团队介绍

徐彦良先生，山东大学教授，博士生导师，Micromotors编委，IJAEM编委，中国电工协会直线电机专委会委员。研究方向：永磁电机及特种电机设计与控制、电动汽车电驱动系统研究、磁力轴承设计与控制。

作为主任或主要研究员参与国家自然科学基金项目、国家863计划项目、山东省重点科技项目（新兴产业）、2017年山东省重点攻关项目等科研项目50余项发展计划。在IEEE Transaction、IET、中国电机工程学报、电气技术学报等国内外学术期刊发表学术论文60余篇，获得认证发明专利12项。

崔波是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。参与国家自然科学基金、国家863项目、山东省重点研发计划项目等科研项目6项，发表论文5篇。现任临沂市供电公司、山东电网国家电力公司工作。

简介：盘式横向磁通电机（DTFM）电磁负载相互分离，功率密度高，轴向长度短，应用前景良好。本文基于DTFM的原理特性以及软磁复合材料（SMC）与叠片硅钢材料（Si-Steel）铁磁性能的互补性，阐述了SMC与硅钢（SMC-Si）磁芯之间的关系。我们建议结合DTFM。

该型电机主要采用SMC定子齿与硅钢定子磁轭的组合，充分利用了SMC材料和硅钢材料的优点，避免或削弱了缺点，提高了DTFM的性能，同时提高了电机的机械强度，降低了电机加工组装的难度。 SMC定子极靴的存在对于减小电机的有效气隙、提高永磁体的利用率、降低电机的齿槽转矩非常重要。

研究背景盘式横向磁通永磁无刷电机（简称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和横向磁通永磁无刷电机的综合优点，效率高，具有高输出。密度和高扭矩密度。然而，传统的硅钢定子铁芯DTFM存在填充槽和减少有效气隙的悖论。

软磁复合材料（SMC）是一种新型软磁材料，具有低射频铁损和高磁静各向同性的特点，可用于电机设计。因此，SMC材料适用于三维磁路永磁电机。但SMC电机只是利用了SMC材料的各向同性磁性，低频铁损高、磁导率低的缺点是不可避免的，不会减弱。

因此，有必要充分利用SMC和硅钢材料的优点，避免或削弱它们的缺点，开发高性能的永磁电机。

论文方法及创新点本文针对传统硅钢C型铁芯DTFM、采用SMC作为定子极靴的缺点，以及采用硅钢的三相10转子极12定子极SMC的缺点，提出了以下建议：硅组合C.输入Core DTFM 作为定子极体。图1所示为SMC-Si核DTFM结构图。

该电机增加了SMC材料制成的定子极片，具有减小电机有效气隙、提高永磁体利用率、降低电机齿槽转矩的优点。同时，SMC定子极片厚度小、截面积大，克服了SMC磁导率低、低频运行时铁损高的缺点。

图1 SMC-Si核DTFM结构图

为了验证SMC定子极靴对于提高DTFM性能的重要性，我们比较了不同材料制成的定子模块铁芯DTFM的性能。利用三维电磁场有限元法，得到了三台电机在额定转速为3000 r/min时的空载相电动势波形，如图2所示。

可以看出，SMC-Si铁芯DTFM的永磁相电动势最高。这是因为SMC-Si铁芯DTFM的定子极靴减小了有效气隙，并且SMC铁芯的永磁体相电动势在DTFM中最低，这是由于SMC材料和磁性所致。至低利率。

图2 三种电机空载相电动势波形对比

图3显示了三种电机的齿槽转矩波形的比较。可以看出，三者具有相似的齿槽扭矩。

图3 三种电机的齿槽转矩波形

SMC-Si 铁芯DTFM 使用SMC 定子极靴，这本身有助于抑制齿槽转矩，但还有其他方法可以进一步抑制齿槽转矩。本文采用的方法是调整定子极片的角度a、定子C形铁心两极片的相对位置b以及转子极片的圆弧角g，这些参数如图所示4.

图4 降低齿槽转矩的参数

图5显示了在假设电机结构尺寸的情况下，改变定子极靴角时齿槽转矩和相电动势的变化。可以看出，随着a的增大，电机的齿槽转矩先减小后增大，且a=27时齿槽转矩最低。随着增大，永磁体相电动势趋于减小。因此，在调整a以减小齿槽转矩时，需要考虑空载相电动势的减小。

图5 对峰值齿槽转矩和相位电动势的影响

接下来，图6显示了改变定子极片交错角b时齿槽转矩和空载相电动势的变化。可以看出，齿槽转矩随着b的增大而减小，当不对中角在35范围内时，齿槽转矩几乎没有变化；当不对中角超过5时，齿槽转矩增大随着不对中角的增大，扭矩范围增大并且变得更快。需要注意的是，调整极片交错角对电机空载相电动势波形几乎没有影响，因此调整极片交错角是降低电机齿槽转矩的较好方法。

图6b DTFM齿槽转矩峰峰值及其对相电动势的影响

最后，当转子磁极弧角g改变时，齿槽转矩和空载相电动势变化如图7所示。可以看出，随着g的增大，齿槽转矩先增大，然后减小，然后再次增大。随着g的增加，相电动势幅值几乎保持不变，平顶宽度增加，但随着磁体宽度的增加，永磁体气隙和齿尖漏磁增加，相电动势有一定程度的增加。

图7 g对DTFM峰峰值齿槽转矩和相位电动势的影响

本文提出的SMC-Si复合铁芯DTFM用于驱动电动汽车，额定参数为6kW144Vdc 3000r/min。图9所示为样机在额定转速下进行空载实验测得的空载反电动势波形。可以看出，样机电机的三相空载相电动势波形具有良好的正弦性和对称性。

图9 3000r/min时三相电动势波形

图10 3000r/min时样机仿真与实测对比

图10为A相绕组反电动势实验结果与有限元法仿真结果的对比。从图中可以看出，实验测得的反电动势略小于有限元仿真结果。

在不将电压更改为120Vdc 的情况下测试原型在各种速度下的负载特性。图11显示了电机系统在不同速度下的效率曲线。效率是电机和驱动器的综合效率，负载扭矩从0N·m开始以0.5N·m为增量增加。

我们可以看到600转的电机系统已经在高负载下运行。由于电机绕组电流大、定子铜损大，其效率最低，仅为22%。其次是600 rpm 时的系统效率。 1000 rpm 约为68%，电机系统效率在1500 rpm 和2000 rpm 时基本相同，约为75%。可以得出，当电压相同、转速不同时，效率曲线有很大差异，并且随着转速的不断提高，相同电压下的最大效率点会逐渐增大，高效率范围也会增大。继续增加。

图11 120Vdc 下不同速度和功率的效率曲线

结论本文提出的SMC-Si复合DTFM比硅钢铁芯DTFM和纯SMC铁芯DTFM具有更高的空载相电动势，并且三种定子铁芯DTFM的齿槽转矩具有可比性。 SMC极片磁密度低、厚度薄，克服了SMC材料导磁率低、低频铁损高等缺点。

SMC-Si核DTFM采用SMC极片结构，可以实现更多方式降低电机齿槽转矩。经过a、b、g参数的优化设计，SMC-Si核DTFM可以实现非常低的齿槽转矩。然而，在降低齿槽转矩的优化设计中，需要考虑由此引起的空载相电动势的变化。最后，通过原型实验验证了所提出的新型DTFM结构的可行性。

引用本文徐艳亮， 崔波， 张文静， 薛成勇. 软磁复合材料与硅钢组合的芯盘横向磁通永磁无刷电机[J]. 电气工程学报， 2020, 35(5) : 983-990徐彦良， 崔波， 张文静， 薛成勇. 基于软磁复合硅钢芯的盘式横磁通永磁无刷电机. 电工学报， 2020, 35(5): 983-990 .