團隊介紹
徐衍亮，山東大學教授，博士生導師，博士，微電機編委，IJAEM編委，中國電工技術學會直線電機專委會委員。研究方向永磁電機及特種電機的設計及控制、電動汽車電驅動系統研究、磁懸浮軸承的設計及控制。
作為負責人或主研參與50餘項科研項目的研究，包括國家自然科學基金項目、國家863計劃項目、山東省科技重大專項（新興產業）、山東省2017年重點研發計劃等。在IEEE Transaction、IET、中國電機工程學報、電工技術學報等國內外學術刊物發表學術論文60餘篇，已授權發明專利12項。
崔波，山東大學碩士研究生，研究方向為永磁同步電機矢量控制技術。曾參與包含國家自然科學基金、國家863計劃項目、山東省重點研發計劃項目在內的科研項目6項，發表論文5篇。目前就職於國網山東省電力公司臨沂供電公司。
導語
盤式橫向磁通電機（DTFM）電磁負荷相互解耦，功率密度高，軸向長度短，具有很好的應用前景。本文基於DTFM的原理特點以及軟磁複合材料（SMC）和疊片硅鋼材料（Si-Steel）兩者間鐵磁性能的互補性，提出SMC和Si-Steel組合（SMC-Si）鐵心DTFM。
該種電機主要採用SMC定子齒和Si-Steel定子軛組合方式，可以充分利用SMC材料和Si-Steel材料的優勢，避免或削弱其缺點，提高DTFM的性能，同時提高了電機的機械強度、降低了電機的加工裝配難度。SMC定子極靴的存在對降低電機有效氣隙、提高永磁體的利用率以及降低電機的齒槽轉矩具有重要意義。
研究背景
盤式橫向磁通永磁無刷電機（簡稱為DTFM）綜合了盤式永磁無刷電機、分數槽集中繞組永磁無刷電機及橫向磁通永磁無刷電機的綜合優勢，具有高效、高功率密度、高轉矩密度特點。但傳統的Si-Steel定子鐵心DTFM存在槽滿率以及減小有效氣隙的矛盾。
軟磁複合材料（SMC）作為一種新型軟磁材料可用於電機設計，具有高頻鐵耗低、磁熱各向同性的特點。因此，SMC材料更適用於具有三維磁路的永磁電機中。但SMC電機也只利用了SMC材料的各向磁同性的優點，其低頻鐵耗高、導磁率低的缺點並沒有避免或削弱。
因此需要充分利用SMC材料和Si-Steel材料的優勢，避免或削弱其缺點，開發出高性能的永磁電機。
論文方法及創新點
本文針對傳統Si-Steel C型鐵心DTFM的缺點，提出一種以SMC為定子極靴、以Si-Steel為定子極身的3相10轉子極12定子極SMC-Si組合C型鐵心DTFM。圖1給出了SMC-Si鐵心DTFM結構圖。
由於增加了由SMC材料製成的定子極靴，使電機具有降低電機有效氣隙、提高永磁體的利用率、降低電機的齒槽轉矩的優勢。同時，由於SMC定子極靴厚度較小而截面積較大，克服了SMC磁導率低、低頻運行鐵耗較高的缺點。
圖1 SMC-Si鐵心DTFM結構圖
為驗證SMC定子極靴對提高DTFM性能的意義，對不同材料定子模塊鐵心DTFM進行性能比較。採用三維電磁場的有限元方法，得到三種電機在額定轉速3000r/min下的空載相電動勢波形如圖2所示。
可以看出， SMC-Si鐵心DTFM的永磁相電動勢最高，這是由於SMC-Si鐵心DTFM的定子極靴減小了有效氣隙；SMC鐵心DTFM永磁相電動勢最低，這是由SMC材料導磁率低造成的。
圖2 三種電機空載相電動勢波形比較
圖3為三種電機的齒槽轉矩波形比較。可以看出，三者具有相近的齒槽轉矩，
圖3 三種電機的齒槽轉矩波形
由於SMC-Si鐵心DTFM採用了SMC定子極靴，本身有助於削弱齒槽轉矩，並且具有更多進一步削弱齒槽轉矩的方法。本文采取的方法包括調整定子極靴角度a、定子C型鐵心兩極靴的相對位置b、轉子磁體極弧角度g，這些參數分別如圖4所示。
圖4 用於降低齒槽轉矩的參數
在給定電機結構尺寸的前提下，首先改變定子極靴角度a，齒槽轉矩及相電動勢的變化如圖5所示。可以看出，隨a的增大，電機齒槽轉矩先降低後增大，在a=27°時具有最低齒槽轉矩。隨a的增大，永磁相電動勢趨於降低。因此在採用調整a來降低齒槽轉矩降低時，則需要考慮由此可能導致的空載相電動勢的下降。
圖5 a對齒槽轉矩峰峰值及相電動勢的影響
然後改變定子極靴錯角b，齒槽轉矩及空載相電動勢的變化如圖6所示。可以看出，隨b的增大，齒槽轉矩降低，錯角在3°-5°範圍內，齒槽轉矩變化較小，超過5°，再增加錯角，齒槽轉矩範圍增加較快。值得注意的是，調整極靴錯角對電機空載相電動勢波形影響較小，因此調整極靴錯角是一個較好的降低電機齒槽轉矩方法。
圖6 b對DTFM齒槽轉矩峰峰值及相電動勢的影響
最後改變轉子磁體極弧角度g，齒槽轉矩及空載相電動勢變化如圖7所示。可以看出，在g增大時，齒槽轉矩有先增大再降低然後再增大的變化規律。在g增大時，相電動勢幅值變化不大，平頂寬度有所增大，顯然磁體寬度增大後，永磁體氣隙及齒頂漏磁增大，相電動勢增大程度有所降低。
圖7 g對DTFM齒槽轉矩峰峰值及相電動勢的影響
本文提出的基於SMC-Si組合鐵心DTFM用於電動汽車驅動，具有6kW144Vdc 3000r/min的額定參數。在額定轉速在對樣機進行空載實驗，測得空載反電動勢波行如圖9所示。可以看出，樣機電機三相空載相電動勢波形正弦性及對稱性良好。
圖9 在3000r/min時的三相相電動勢波形
圖10 3000r/min下仿真與樣機實測對比
對A相繞組反電勢的實驗結果與有限元仿真結果進行對比，對比結果如圖10所示。由圖可知，實驗測出的反電勢略小於有限元仿真結果。
在保持電壓120Vdc不變的條件下，測試樣機在不同轉速下的負載特性。圖11為不同轉速下電機系統的效率曲線。其中效率是電機與驅動器的總效率，施加的載荷轉矩從0N·m開始遞增，增加步長為0.5N·m。
可以看出，600rpm轉速下的電機系統可能已經工作在重載狀態下，電機繞組電流高，定子銅耗大，因此其效率最低，僅有22%；其次為1000rpm轉速下的系統效率約為68%；1500rpm和2000rpm轉速下電機系統效率基本一致，約為75%。由此可以得出，當電壓相同、轉速不同時效率曲線有較大區別，隨著轉速的不斷增大，相同電壓下的最大效率點也逐漸增加，並且高效區間不斷增大。
圖11 120Vdc下不同轉速\\功率下的效率曲線
結論
本文提出的SMC-Si組合DTFM比Si-Steel鐵心DTFM和純SMC鐵心DTFM具有最高的空載相電動勢，且三種定子鐵心DTFM齒槽轉矩相近。SMC極靴磁密低且厚度小，克服了SMC材料磁導率低、低頻鐵耗高的缺點。
SMC極靴結構使SMC-Si鐵心DTFM具有更多的降低電機齒槽轉矩的方法。經過對a、b、g參數的優化設計，可以使SMC-Si鐵心DTFM具有很低的齒槽轉矩。但在進行齒槽轉矩降低的優化設計中，需要考慮由此導致的空載相電動勢的變化。最後通過樣機實驗驗證了所提出DTFM新結構的可行性。
引用本文
徐衍亮, 崔波, 張文晶, 薛成勇. 軟磁複合材料-Si鋼組合鐵心盤式橫向磁通永磁無刷電機[J]. 電工技術學報, 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.
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