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1.5 新材料在轴向磁场电机中的应用

由于磁路结构的特殊性,轴向磁场电机存在电枢叠片铁心制造困难的难题。但随着新材料的获得和电机制造工艺的进步,以及对轴向磁场电机结构的深入研究,利用非传统的电机结构和新材料的结合使用可为轴向磁场电机开辟一个新的领域。例如,采用实体铁心加工或采用印制的铁心;采用无铁心或无铁心轭的磁路结构;采用粉末型软磁复合材料直接压制成型或利用高性能永磁材料和具有良好热性能/机械性能的塑性材料等。目前,由于成本的原因,具有铁磁性能的塑性材料很少作为电机的结构件来使用。在前沿领域应用中,如航空领域中的太空飞行站,质量小、高效率、高性能的塑性轴向磁场电机得到了应用。

近年来,软磁复合材料(SMC)低频特性的改善使它在电机设计应用中获得了广泛的应用。SMC和粉末冶金挤压加工的独特优点使复杂结构容易成型。这可以克服传统的有槽叠片定子铁心制造中的一些缺陷。在SMC中绝缘的铁粒可以产生等方性的磁性能。因此,在磁极组件设计中可以获得三维磁路,为电机设计者提供了新的设计方法。

1.5.1 软磁复合材料在轴向磁场电机中的应用

1.5.1.1 软磁复合材料的形成

软磁复合材料(SMC)由表面盖有绝缘薄膜的软磁铁粉粒压制而成,如图1.26所示。它是将具有良好磁性能的高纯度铁粉与树脂黏合剂混合在一起,经过处理后产生一种具有高密度和高强度且压缩性极好的物质。加工过程:将铁粉和润滑剂混合物进行挤压,在挤压过程中,在粉末间产生了应力,这可以通过在足够高的温度下,对组合件进行热处理来释放。例如,放在空气中,在2000℃下进行热处理30min,这样就可以得到一种低成本、高性能且可直接用于粉末金属制造技术的软磁复合材料。为了减少涡流损耗可以在颗粒之间引入绝缘层,绝缘层可以是有机树脂材料或无机材料,这样铁粉粒在电气上彼此绝缘,确保SMC有一个高的电阻率,因此绝缘层可以有效地降低涡流损耗,但绝缘层的作用像气隙一样,因而也降低了磁导率。通常用降低绝缘层厚度、提高SMC密度和进行热处理消除或减少应力来部分恢复磁导率。

1.5.1.2 软磁复合材料的特性

图1.27和图1.28分别为SMC和硅钢片磁化曲线对比图和铁耗对比图。从图1.27中可以看出,SMC在磁密为1T时出现拐点,在1.5T时就已达到饱和,相比之下,硅钢片材料在磁密为1.5T左右时才刚开始出现拐点,证明了硅钢片材料的导磁性能较SMC更好。这主要是因为SMC是由绝缘材料包覆铁磁性粉末后黏结而成的,绝缘层的存在使该材料的磁导率降低了。

从图1.28中可以看出,在50Hz的频率下,SMC的铁耗比硅钢片材料的铁耗大,而随着频率升高至400Hz时,两种材料的铁耗也随之增大,但其大小逐渐接近。这是因为电机铁耗主要由磁滞损耗和涡流损耗组成,其中磁滞损耗与电机的频率成正比,而涡流损耗与频率的平方成正比,因此当铁磁材料应用在高频时,涡流损耗在铁耗中的占比更大。由于SMC的磁滞损耗系数比硅钢片材料的大,而其涡流损耗系数却远小于硅钢片材料,所以随着频率的升高,SMC的涡流损耗也将远小于硅钢片的涡流损耗,其铁耗大小将逐渐接近硅钢片材料的铁耗,甚至将低于硅钢片材料,由此可知,采用SMC制成的电机的性能也取决于所使用的频率。另外,从图1.28中也可以看出,SMC和硅钢片的铁耗都与磁通密度成正比关系,随磁通密度的增大而增大。

图1.26 SMC颗粒示意图

图1.27 SMC和硅钢片磁化曲线对比图

图1.28 SMC和硅钢片铁耗对比图

总的来说,SMC的磁性能较硅钢片的磁性能要差些,其磁通密度低于硅钢片的磁通密度,磁滞损耗大于硅钢片的磁滞损耗,尽管涡流损耗较硅钢片的涡流损耗小,但总的铁耗大于硅钢片总的铁耗。SMC的电阻率、机械性能和磁性能取决于铁粉粒的大小、密度、绝缘层厚度、挤压过程和热处理周期,因此可以调节SMC的特性以适合某些应用的特殊要求。

通过上述的对比分析可知,由于特殊的物理结构,SMC的导磁性能较硅钢片的导磁性能更低,而在低频状态下,其铁耗较硅钢片的铁耗更大,因此常规电机在工频下直接用SMC替代硅钢片时,电机效率会降低。另外,由于SMC不能进行烧结,所以其机械强度也较低,因此结构强度也将是SMC电机设计过程中必须要重点考虑的问题。由此可见,为了更好地利用SMC的优势,同时弥补其缺点,SMC-Si钢组合铁心的方法是个很好的选择。另外,由于SMC的磁滞损耗与所使用的频率成正比,所以SMC的开发旨在生产可在较低频率下使用的部件,如电机通常在50~60Hz频率下工作,对于直驱轴向磁场电机而言,其频率更低,因此SMC特别适合应用于直驱场合,如用作分布式发电领域中的风力发电机、水力发电机,用作驱动的直驱电梯电机等低速领域。 ZbpeIU6w5/89bVDi+YuWAFht0BYMyALVpJGW1b4lhGccERgvblZCKL8+QbW4s37l

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