Разработка и исследование магнитопровода из порошковых материалов для асинхронных дисковых двигателей

Современные исследования показывают, что применение спрессованных порошковых магнитопроводов (SMC – Soft Magnetic Composites ) в электрических машинах позволяет создавать высокоэффективные двигатели с повышенной удельной мощностью [1]. В асинхронных двигателях использование SMC-композитов даёт ряд преимуществ по сравнению с традиционными шихтованными стальными сердечниками: существенно снижаются потери на вихревые токи за счёт высокой удельной электрической сопротивляемости изолированных частиц, магнитный поток может распространяться в трёх измерениях, что снимает ограничения на геометрию магнитопровода, и уменьшается вес конструкции [2, 3]. Например, в работе T. Fukuda и др. показано, что двигатель с SMC-сердечником обладает более высоким КПД и удельным моментом по сравнению с классическим аналогом [4]. Таким образом, переход на объемные магнитопроводы из порошковых материалов открывает возможность либо уменьшить габариты двигателя при сохранении мощности, либо повысить мощность без увеличения размеров. Особенно эффективно применение SMC-магнитопроводов на повышенных частотах питания (выше 100–400 Гц), что соответствует современной тенденции использования частотных преобразователей и высокочастотных приводов [5, 6].

Отдельного внимания заслуживают аксиально-торцевые конструкции асинхронных машин, для которых характерны сложные объемные конфигурации магнитопровода [7, 8]. Разработки последних лет включают трёхфазные дисковые асинхронные двигатели с кольцевыми статорами и дисковым ротором [9, 10]. Общий вид действую- щей экспериментальной модели дискового асинхронного двигателя с порошковым магнитопроводом приведен на рис. 1.

Использование в конструкции магнитопровода стержней с сосредоточенными обмотками позволяет устранить лобовые части обмоток и улучшить охлаждение, но требует применения материалов, пригодных для формования нетрадиционных магнитопроводов сложной формы. Одним из перспективных подходов является замена шихтованной стали в кольцевых магнитопроводах на порошковые композиты с малыми удельными потерями на перемагничивание. Это актуально для высокочастотных и высокоплотных электрических машин, в том числе торцевых (дисковых) асинхронных двигателей [11, 12].

Научная гипотеза состояла в том, что применение порошкового магнитопровода в дисковом асинхронном двигателе позволит повысить КПД за счёт снижения вихревых потерь, а выбор оптимального порошкового материала и технологии его спрессования обеспечит максимальную индуктивность при минимальных потерях. Актуальность исследования обусловлена потребностью в высокочастотных компактных электродвигателях (например, для электроприводов с повышенным выходом мощности и для электротранспорта), где традиционные стальные магнитопроводы испытывают большие потери и нагрев. Новизна работы заключается в сравнительном исследовании электромагнитных свойств нескольких доступных порошковых материалов различной природы и дисперсности, являющихся отходами металлообработки, применительно к магнитопроводам дисковых двигателей и в разработке технологии формирования магнитопровода из выбранного материала.

Рис. 1. Общий вид действующей экспериментальной модели дискового асинхронного двигателя с порошковым магнитопроводом Fig. 1. General view of the operating experimental model of an induction disc motor with a powder magnetic circuit

Постановка задачи

Целью данной работы является отбор и экспериментальное сравнение перспективных порошковых ферромагнитных материалов, являющихся отходами металлообработки, для магнитопровода дискового асинхронного двигателя. В качестве объектов исследования выбраны следующие материалы: металлическая окалина, стальная стружка, мелкодисперсный железный порошок (~ 200 мкм), а также их равные смеси. Задачи исследования включают: 1) изготовление образцов магнитопроводов из указанных материалов единых геометрических размеров; 2) измерение индуктивности и активного сопротивления образцов при разных частотах питания; 3) анализ влияния частоты и типа материала на параметры катушки; 4) формулирование рекомендаций по выбору материала и технологии изготовления магнитопровода для высокочастотных асинхронных машин.

Теоретическая часть

Магнитопроводы из мягких магнитных композитов (soft magnetic composites, SMC) представляют собой объёмно-изотропные материалы, состоящие из отдельных ферромагнитных частиц, электрически изолированных друг от друга полимерным или неорганическим связующим. Такая структура позволяет существенно снизить вихревые потери по сравнению с массивными стальными сердечниками, особенно в диапазоне повышенных частот, характерных для высокочастотных асинхронных машин и преобразовательной техники.

В качестве исходных порошковых материалов для изготовления опытных магнитопроводов выбраны:

– металлическая окалина – продукт поверхностного окисления стали; характеризуется относительно низкой магнитной проницаемостью и повышенным удельным электрическим сопротивлением;

– стальная стружка – крупнодисперсный ферромагнитный материал с удлинённой формой частиц; обладает высокой величиной магнитной индукции насыщения, но сравнительно низким удельным сопротивлением;

– железный порошок с размером частиц около 200 мкм – мелкодисперсный порошок с высокой однородностью и повышенным удельным сопротивлением по сравнению с цельной сталью.

Композиты на их основе (окалина + стружка, стружка + порошок 200 мкм, окалина + порошок 200 мкм, смесь всех трёх компонентов) позволяют варьировать эффективную магнитную проницаемость ( µ _eff ) и удельное сопротивление ( ρ ) магнитопровода в широких пределах. Мелкодисперсный порошок обеспечивает более равномерное распределение магнитного потока и снижение вихревых потерь, тогда как крупные частицы стружки и агломераты окалины увеличивают проницаемость, но могут усиливать локальные токи Фуко.

Таким образом, исследуемый набор материалов включает как дешёвые крупнодисперсные отходы металлообработки, так и более «классический» SMC-подобный порошок с размером частиц порядка 200 мкм. Это позволяет оценить, насколько простые и доступные порошки могут заменить специализированные промышленно выпускаемые SMC-материалы в магнитопроводах асинхронных двигателей.

При формировании магнитопровода порошковые частицы смешиваются с изоляционной смолой, после чего смесь подвергается вибрированию, при котором частицы металла оседают в заранее рассчитанном объёме. В настоящей работе использовались цилиндрические стержни одинакового диаметра, что позволяет сопоставлять магнитные свойства разных составов при неизменной геометрии.

С точки зрения теории эффективных сред магнитные свойства композитного магнитопровода определяются объёмной долей ферромагнитной фазы ( ϕ ), магнитной восприимчивостью исходно- го материала ( χp ) и эффективным коэффициентом размагничивания ( Neff ), зависящим от формы и распределения частиц. В простейшем приближении эффективная восприимчивость порошкового композита может быть описана выражением

ϕχ _p χ _eff =                .

1 + N _eff χ _p

Магнитная проницаемость магнитопровода тогда определяется как

µ _eff = 1 +χ _eff.

Увеличение объёмной доли магнитного порошка ϕ и уменьшение коэффициента размагничи- вания Neff (более вытянутые частицы, ориентированные вдоль силовых линий) ведут к росту µeff , но одновременно снижают удельное сопротивление ρ и могут увеличивать вихревые потери. Введением немагнитной окалины и мелкодисперсных фракций можно целенаправленно увеличивать ρ, жертвуя частью проницаемости ради уменьшения потерь при высоких частотах.

Индуктивность ( L ) катушки с сердечником длиной магнитопровода ( l_m ), площадью поперечного сечения ( S ) и числом витков ( N ) в первом приближении определяется выражением

N ² S

L = µ0 µeff , (3) lm где µ0 – магнитная постоянная. Из этой формулы видно, что, измеряя индуктивность катушки для разных порошковых сердечников, можно косвенно оценивать изменение эффективной проницаемости µeff и, следовательно, качество сформированного магнитопровода.

При синусоидальном токе частоты ( f ) реактивное сопротивление индуктивности задаётся выражением

X l = 2 n fL . (4)

Полное сопротивление катушки с учётом активных потерь определяется как

Z = JR ² + X L , (5) где R – активное сопротивление обмотки и потерь в сердечнике. В эксперименте полное сопротивление вычисляется по закону Ома для переменного тока:

Z = U

где U – амплитуда приложенного напряжения; I – амплитуда тока. Активное сопротивление R опре- деляется по падению напряжения на токоизмерительном шунте. Тогда реактивная составляющая полного сопротивления находится из выражения

X l = JZ ² - R ², (7)

а индуктивность сердечника – по формуле

L = XL-

2 n f

.

Сопоставление зависимостей L ( f ) и R ( f )

для различных порошковых составов позволяет оценить, как изменяются эффективная проницаемость ^ eff и уровень потерь при увеличении частоты питания.

Потери в магнитопроводах из SMC-материалов обычно разделяют на три составляющие: гистерезисные ( P_h ), потери на вихревые токи ( P_e ) и так называемые избыточные потери ( P_a ), связанные с неоднородностями и доменной структурой. Обобщённая (упрощённая) модель Бертотти для порошковых сердечников может быть записана в виде

^M ( f, Bm ) = KhfB"m +(Ke + Ka ) f 2 Bm, (9) где Bm – амплитуда магнитной индукции; Kh , Ke , Ka – эмпирические коэффициенты, зависящие от состава порошка, технологии прессования и термообработки, а показатель степени n (обычно 1,6–2,2) характеризует нелинейность гистерезисных потерь.

Для анализа роли размеров частиц удобно использовать выражение для внутрипорошковых (intra-particle) вихревых потерь в сферической частице диаметром ( D ) и удельной проводимостью ( ^ part ^):

P .

intra

2     22 2

^П ^ part f B m D

Из этой формулы следует квадратичная зависимость потерь от частоты и квадратичная зависимость от размера частицы D . Поэтому переход от крупной стружки к более мелкому порошку

( D ® 200мкм ) при прочих равных приводит к заметному снижению внутрипорошковых вихревых потерь, что особенно важно в диапазоне частот 400–800 Гц, используемом в эксперименте.

Ещё одной важной характеристикой является глубина проникновения (skin depth) переменного магнитного поля в проводящем материале:

ё = , (11) } пfЦоЦr где р - удельное электрическое сопротивление материала; цr - относительная магнитная проницаемость. При 5« D токи Фуко замыкаются в поверхностном слое частицы, что существенно увеличивает потери; при 5 > D токи распределяются по всему объёму и потери уменьшаются. Высокое удельное сопротивление порошка 200 мкм и наличие изоляционного связующего увеличивают 5 , тем самым подавляя вихревые токи по сравнению с более проводящей стальной стружкой.

В совокупности приведённые соотношения описывают связь между микроструктурой порошкового магнитопровода (размер и форма частиц, объёмная доля ферромагнитной фазы ф , удельное сопротивление р , его магнитными параметрами ( p _eff, L ) и частотными характеристиками потерь ( R , P _SMC ). Именно на основе этих моделей далее проводится интерпретация экспериментальных данных по индуктивности и активному сопротивлению катушек с различными порошковыми сердечниками.

Практическая часть

Экспериментальная установка и методика. Для экспериментального исследования был собран стенд для измерения параметров индуктивности катушки с различными сердечниками в широком диапазоне частот питания. Схема установки представлена на рис. 2. На входе стенда напряжение трехфазной сети через лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) 1 преобразуется и подается на выпрямитель 2 (неуправляемый диодный мост). В цепи постоянного тока установлен фильтрующий электролитический конденсатор 3 для сглаживания пульсаций. Полученное выпрямленное напряжение питает трехфазный инвертор 4 на IGBT-транзисторах, формирующий ШИМ-сигнал повышенной частоты. На выходе инвертора установлен сглаживающий LC-фильтр (дроссели 5 и конденсаторы 6 ), который позволяет минимизировать величину паразитных гармоник. К выходным клеммам инвертора подключены испытательные катушки 8 , представляющие собой однофазные обмотки, на которые надеты сменные стержневые сердечники из исследуемых материалов 9 . Для контроля тока одной из фаз последовательно включён шунт 7 сопротивлением 0,1 Ом.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки Fig. 2. Schematic diagram of an experimental setup

a)

b)

Рис. 3. Осциллограммы напряжения на шунте при 200 Гц (a) и 400 Гц (b) для катушки с сердечником из порошка 200 мкм

Fig. 3. Shunt voltage waveforms at 200 Hz (a) and 400 Hz (b) for the coil with a 200 μm powder core

Шун т п од ключен к о сц ил л о г раф у для ре гис тр а ц ии ос ц илл ог рам м па дени я напря ж е н ия, ч то позволяет вычислять мгно в е нн ое з на чение тока по за кон у Ом а . Ча с то та п ита ю ще го на пря ж е н ия з а д аетс я и нв е ртором и в а рьиров а л а с ь как 50, 200 , 40 0 и 800 Г ц , что пе ре кры в а е т диа па з о н от с е те в ого до повышенно- в ы с окого для а с ин х рон ных м а ш ин. А м п лит у да в ыхо д н ого фаз ног о на пря ж ен и я поддерживалась постоянной (~ 40 В ) д л я в с ех ре ж имов , чтоб ы м ож но б ыл о ко рре ктно с ра внив ать результаты при разных частотах.

Для каждого образца магнитопровода выполнялась следующая процедура: катушка без сердечника (базовый случай – «воздух») подключалась к выходу и осциллографом снимались амплитуды тока и напряжения на частоте 50 Гц; затем сердечник заменялся на образец из определенного материала и измерения повторялись. Таким образом, для 7 типов сердечников (включая воздух) получены данные тока I и полного импеданса Z катушки при четырёх различных частотах. Погрешность измерения тока оценивалась не более 5 %, так как основную долю импеданса составляло реактивное сопротивление катушки. Осциллограммы напряжения на шунте при некоторых режимах (напри- мер, для порошка 200 мкм на 200 и 400 Гц) приведены на рис. 3, они подтверждают снижение амплитуды тока при росте частоты.

Результаты эксперимента. Обобщённые результаты измерений приведены в таблице. Для краткости показаны данные для двух предельных частот – 50 и 800 Гц; при промежуточных значениях 200 и 400 Гц наблюдались аналогичные тенденции. В таблице представлены амплитудное значение тока I (в амперах) через катушку и её полное сопротивление Z (в Омах) для каждого варианта сердечника. Реактивная составляющая X примерно равна Z при невысоких потерях, поэтому отдельно не приводится.

При частоте 50 Гц катушка без сердечника потребляет ток ~ 3,8 А, тогда как с сердечником из мелкодисперсного порошка 200 мкм ток снижается до 2,5 А (импеданс возрастает до 16 Ом, что на ~ 50 % больше базового). Это означает существенный рост индуктивности при введении порошкового сердечника. Стальная стружка даёт незначительный эффект (ток 3,7 А, Z ≈ 10,8 Ом), а металлическая окалина практически не влияет на параметры (ток ~ 4 А, Z ≈ 10 Ом). Смешанные композиты демонстрируют промежуточные результаты:

Ток и импеданс катушки с различными сердечниками при 50 и 800 Гц Current and impedance of coils with different cores at 50 and 800 Hz

Сердечник	I , А (50 Гц)	Z , Ом (50 Гц)	I , А (800 Гц)	Z , Ом (800 Гц)
Без сердечника (воздух)	3,8	10,5	0,32	125,0
Металлическая окалина	4,0	10,0	0,29	137,9
Стальная стружка	3,7	10,8	0,30	133,3
Окалина + стружка	3,0	13,3	0,20	200,0
Окалина + порошок 200 мкм	3,0	13,3	0,25	160,0
Стружка + порошок 200 мкм	2,8	14,3	0,19	210,0
Окалина + стружка + порошок	3,0	13,3	0,25	160,0
Порошок 200 мкм	2,5	16,0	0,17	235,3

смеси с порошком (стружка + порошок, окалина + порошок) дают несколько больший импеданс (~ 13–14 Ом), чем одна стружка, тогда как смесь окалины со стружкой без мелкого порошка показала Z ≈ 13,3 Ом.

С увеличением частоты до 800 Гц различия между материалами значительно возрастают. Индуктивное сопротивление катушки резко увеличивается: без сердечника Z достигает ~ 125 Ом, с порошком ~ 235 Ом. Ток в катушке с сердечником из порошка 200 мкм снижается до 0,17 А, что почти вдвое меньше, чем без сердечника (0,32 А). Это подтверждает, что мелкий порошковый сердечник эффективно повышает индуктивность и реактивное сопротивление обмотки, особенно на высоких частотах, ограничивая величину тока. Сердечник из одной стружки при 800 Гц дал Z ≈ 133 Ом (ток 0,30 А), лишь немного больше, чем воздух, несмотря на наличие магнитного материала. Вероятно, при столь высокой частоте эффект от повышенной проницаемости стружки нивелируется значительными вихревыми потерями в ней – активное сопротивление растёт и компенсирует рост X , либо стружка не образует сплошного магнитного пути. Окалина тоже слегка увеличивает импеданс до ~ 138 Ом (ток 0,29 А), что объясняется малой магнитной проницаемостью материала, зато вихревые токи в окалине минимальны из-за ее диэлектрической природы.

Интересно, что некоторые композиты при 800 Гц превзошли по импедансу чистые компоненты: например, смесь окалины со стружкой показала Z = 200 Ом, что значительно выше, чем у одной стружки или окалины. Вероятно, комбинирование крупной стружки с изолирующей окалиной частично снижает вихревые потери, позволяя реализоваться индуктивности за счёт стружки. Однако наиболее эффективно сочетание стружки с мелким порошком: композит стружка + порошок дал Z ≈ 210 Ом (ток 0,19 А), лишь немного уступая чистому порошку. Добавление окалины в тройной смеси несколько ухудшило результат (0,25 А, 160 Ом), что может указывать на разуплотнение структуры или снижение доли магнитно-мягкого вещества.

В целом эксперимент подтвердил первоначальные предположения. При росте частоты ин- дуктивность всех образцов несколько снижается, а активные потери возрастают – это проявляется в том, что полное сопротивление Z растёт быстрее, чем идеальное X ~ 2πfL . Например, при переходе с 400 на 800 Гц для порошка Z увеличилось примерно в 2,3 раза (с ~ 114 до ~ 235 Ом), тогда как частота выросла в 2 раза – разница обусловлена увеличением активного сопротивления (потерь) сердечника. Тем не менее реактивная составляющая доминирует над активной: расчёт показывает, что даже для худших материалов (стружки) при 800 Гц активное сопротивление R ≈ 13 Ом против X ≈ 133 Ом, то есть R < 0,1Z . Для порошкового сердечника отношение ещё меньше ( R ≈ 5 Ом при X ≈ 235 Ом). Таким образом, основная роль в ограничении тока принадлежит индуктивности, а рост тока у худших материалов связан прежде всего с более низкой проницаемостью, нежели с потерями.

Обсуждение результатов. Лидером по всем показателям стал мелкодисперсный порошок 200 мкм: катушка с таким сердечником продемонстрировала максимальное полное сопротивление и минимальный ток во всём диапазоне частот. Это указывает на высокую магнитную проницаемость и низкие потери в данном материале, что согласуется с его высокой удельной сопротивляемостью и однородностью структуры. Композиты, содержащие порошок, также значительно улучшили параметры катушки по сравнению с воздухом. Особенно на частотах 200–400 Гц заметно, что даже половинное содержание порошка в смеси (например, стружка + порошок) позволяет достичь импеданса около 100 Ом (при 400 Гц), тогда как чистая стружка только ~ 72 Ом. Таким образом, использование порошкового компонента критически важно для обеспечения приемлемых характеристик магнитопровода на повышенных частотах. В противоположность этому применение одной крупной стружки или тем более окалины нецелесообразно в высокочастотных двигателях: эти материалы дают незначительный прирост индуктивности, при этом стружка вызывает большие вихревые токи. Полученные данные хорошо согласуются с теоретическими ожиданиями и литературными сведениями. Так, в зарубежных исследованиях отмечалось, что разница в КПД между двигателем с SMC-статором и со стальным шихтованным статором может составлять лишь ~ 3–4 %, несмотря на более низкую магнитную проницаемость SMC, благодаря уменьшению вихревых потерь. В предлагаемом случае фактически наблюдается аналогичный эффект: порошковый сердечник (аналог SMC) обеспечивает близкую магнитную производительность к стальному сердечнику при 50 Гц, но выигрывает по потерям на 400–800 Гц, что в целом даёт преимущество в эффективности.

Важно подчеркнуть, что технология формирования порошкового магнитопровода играет большую роль. В данной работе использовалось холодное прессование с полимерной связкой при умеренном давлении, что обеспечивает вполне работоспособные образцы. Перспективным направлением является применение методов вибропрессования и 3D-печати порошковыми материалами, которые могут дать более плотную упаковку и однородность, а также снизить долю связки. Например, метод послойного наплавления металлического порошка (аддитивное производство) позволяет получать сложные формы магнитопроводов без необходимости пресс-форм, что особенно привлекательно для прототипирования аксиальных двигателей со сложной геометрией. Однако при любых методах важно контролировать качество изоляционного покрытия частиц и наличие пористости, так как от этого напрямую зависят магнитные свойства и потери в SMC-материале.

Рекомендации по внедрению. Результаты исследования непосредственным образом применимы при разработке дисковых асинхронных электродвигателей. Рекомендуется использовать в качестве материала магнитопровода сердечников статора и ротора мелкодисперсный прессованный железный порошок с изоляцией. Конструктивно целесообразно изготовление кольцевых магнитопроводов статора путем заливки железного порошка в подготовленные формы с последующим прессованием и термоотверждением связки (например, на основе эпоксидной смолы). Для обеспечения высокой плотности и однородности материала можно применять вибростол при заполнении формы порошком, а также вакуумирование для удаления воздушных включений. Обмотки статора рационально выполнять в виде предварительно намотанных катушек, устанавливаемых в пазы до заливки смолы, – такой подход упрощает монтаж и повышает заполняемость пазов. Роторное кольцо целесообразно изготавливать аналогичным образом из того же порошка; при этом для формирования короткозамкнутой обмотки ротора могут быть вставлены медные или алюминиевые стержни в радиальные пазы кольца перед заливкой связки, либо после отверждения выполнить отверстия для стержней. Отсутствие в конструкции массивных стальных пакетов позволит значительно снизить вес двигателя и улучшить его динамические свойства, что особенно важно для транспорта и авиации. Кроме того, благодаря изотропности теплопроводности SMC-магнитопроводов возможно более равномерное охлаждение двигателя – в предлагаемом дисковом двигателе этому способствует открытая торцевая компоновка и наличие вентиляционных ребер на роторе.

Перспективы практического использования порошковых магнитопроводов простираются от военной техники до гражданских электроприводов. Компактные высокочастотные асинхронные двигатели с SMC-статорами могут найти применение в электромобилях, где ценятся высокие КПД и малые габариты, в беспилотных летательных аппаратах и иных приложениях, требующих высокую удельную мощность привода. Разрабатываемый трехфазный дисковый двигатель с порошковыми кольцевыми магнитопроводами планируется к внедрению в качестве привода для крановых установок, где сниженный вес ротора и высокая частота питающего тока позволят повысить быстродействие и точность позиционирования груза.

Заключение

В результате проведённого исследования установлено, что мелкодисперсный железный порошок ~ 200 мкм является наиболее перспективным материалом для магнитопровода дискового асинхронного двигателя. Данный SMC-материал обеспечивает наибольшую индуктивность обмотки и наименьшие активные потери среди рассмотренных образцов, что существенно снижает нагрев сердечника при высокочастотной работе. При использовании порошкового магнитопровода можно повысить КПД двигателя и рабочую плотность мощности за счёт уменьшения потерь на перемагничивание и вихревые токи. В то же время крупнодисперсные материалы (стальная стружка) и особенно материалы с низкой магнитной проницаемостью (металлическая окалина) при частотах свыше 200–400 Гц проявляют значительные потери и дают существенно меньшую индуктивность. Это ведёт к повышенному потреблению тока, перегреву и снижению КПД двигателя, поэтому их применение в чистом виде для высокочастотных электрических машин нецелесообразно.

Практическая значимость работы состоит в том, что рекомендации по выбору порошкового материала и технологии его спекания могут быть непосредственно внедрены при разработке новых высокочастотных асинхронных машин. Переход от стальных шихтованных магнитопроводов к SMC-композитам позволит создавать дисковые асинхронные двигатели с улучшенными массогабаритными показателями, без лобовых частей обмоток и с эффективным охлаждением. Показано, что технология порошковой металлургии в соче- тании с современными методами аддитивного производства предоставляет конструктору электродвигателя новую степень свободы – возможность проектировать трехмерные магнитопроводы сложной формы. Полученные выводы могут быть использованы при проектировании перспективных электродвигателей для транспортных и энергетических установок, где требуется высокая удельная мощность, повышенный КПД и минимальные потери.