软磁复合材料的三维张量磁特性模拟和实验研究

软磁复合（SMC）材料以其磁和热各向同性、低涡流损耗、低造价、高可靠性等优点引起工程应用领域的关注，已成功应用到具有复杂拓扑结构的三维磁通电机设计中，如爪极/横向磁通电机。材料磁特精确测量和模拟是其推广应用的关键，而传统的一维和二维检测方法的局限并不能准确描述材料的空间三维磁特性。本项目引入三维张量磁特性，构建新型的三维磁特性测量装置，设计柔性激磁系统和精密三维传感线圈，测量在空间旋转激磁条件下从2 Hz至1000 Hz频率范围内的磁特性；比较分析测得的磁通密度矢量轨迹和相应的磁场强度矢量轨迹并通过三维磁阻率张量描述二者的空间矢量关系，全面的解析SMC材料在不同激磁条件下的磁化过程以及呈现的非线性、局部各向异性等复杂的磁特性并建立三维磁阻率张量的数学模型和磁心损耗模型。本项目的研究成果将为新型高性能低成本电机的设计、优化与高频拓展应用提供重要的理论及实验参考。

软磁复合（SMC）材料的主要成分是具有高纯度和高压缩性的铁粉结合物，粉末微粒由一层绝缘有机材料包覆，使得SMC材料大体上呈现为磁各向同性，这有助于电磁装置特殊部件的关键设计，因此可用于三维磁通路径的设计和不同拓扑结构的开发并且获得高效率。典型应用如爪极/横向磁通电机，其磁场须在三维空间流通，传统叠片技术带来的影响可被忽略。对材料的三维磁滞、损耗等特性的准确测量和模拟是其在新型电磁装置设计推广应用的关键，而传统的一维和二维检测方法并不能准确描述材料的三维空间磁特性。对三维磁特性实验数据的缺乏以及对张量型磁化机制的不充分理解限制了SMC材料的发展与工程应用。.本项目对SMC材料的三维磁特性进行了全面的测量实验和工程模拟研究。第一，研制新型三维磁特性测试系统，提出了柔性激磁方法并设计了适用于宽频率范围（2～1000Hz）的激磁系统，实现对被测样品的技术磁化；创建新型三维传感系统的拓扑结构，提出关于精密线圈系数校准的新方法并设计校准实验，得到张量型线圈系数矩阵，以实现对材料表面任意方向H和B信号的测量；提出了一种补偿方法以减小实验误差提高测量精度，在校准实验和误差补偿的基础上给出了B、H矢量的计算公式。第二，全面开展三维磁特性测量实验，计算不同的频率和不同的激磁条件下的B、H 矢量，并生成磁滞特性曲线；计算实验所得的磁心损耗，分析不同的激磁条件下损耗曲线的异同；深入研究样品材料三维磁特性的磁化机理，模拟磁化过程，分析由于材料制备的过程引起的轻微各向异性。第三，提出基于磁特性检测实验的三维磁阻率张量测定方法，分析影响磁阻率张量的关键因素，在一定条件下计算三维磁阻率张量的各元素典型值，定量分析张量矩阵的主对角线元素和非主对角线元素分布曲线；通过对矩阵的对称性的分析研究预测不同材料的三维磁场分布特点。第四，提出了基于经典Preisach模型和Stoner-Wohlfarth模型的混合矢量磁滞模型建模方法并模拟了SMC材料在正弦交变和圆形旋转激磁条件下的磁滞特性，将模拟结果与实验测量结果进行了对比分析，结果表明模型可以有效模拟中、低磁场条件下SMC材料的磁滞特性。.本项目将SMC材料三维磁特性测量引入到磁性材料特性模拟的研究领域，从张量的角度描述B、H的空间关系；为新型高性能低成本电机的设计、优化与高频拓展应用提供重要的理论及实验参考。