郗珂慶，胡昊，郭炳岐，高俊麗

（西安航天動力測控技術(shù)研究所，陜西 西安 710025）

一種優(yōu)化轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)對永磁直流無刷電機(jī)性能的影響

郗珂慶，胡昊，郭炳岐，高俊麗

（西安航天動力測控技術(shù)研究所，陜西 西安 710025）

永磁直流無刷電機(jī)磁路對電機(jī)的性能有著重要的影響。本文在通用的電機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了一種新的優(yōu)化轉(zhuǎn)子磁路的方法，并通過建立磁路模型與仿真分析驗證了新方法的有效性。實驗證明優(yōu)化轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的方法不僅能有效地提高氣隙磁通，增強(qiáng)電機(jī)的功率密度，還能降低鐵損，提高電機(jī)效率，具有重要的現(xiàn)實意義與價值。

永磁直流無刷電機(jī)；磁路優(yōu)化；電機(jī)性能

永磁直流無刷電機(jī)，相較于機(jī)械換相的直流機(jī)具有更高的可靠性與工作壽命，相較于電勵磁電機(jī)具有更高的功率因數(shù)和效率，且經(jīng)過電子控制獲得類似直流機(jī)的運行特性，因此，在社會生活的方方面面得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。在永磁直流無刷電機(jī)中，永磁體的性能和電機(jī)的磁路對電機(jī)的性能有著重要的影響[2]。本文在通用的電機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了一種新的優(yōu)化轉(zhuǎn)子磁路的方法，即，在極弧系數(shù)不高的情況下，有效地利用磁鋼之間的空隙使得新方法能達(dá)到提高工作氣隙磁通、降低轉(zhuǎn)子鐵損的效果。

1　一種優(yōu)化的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

本文提出的一種優(yōu)化的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中（a）和（b）分別是通用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及優(yōu)化的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。由（a）、（b）對比可以看出，當(dāng)磁鋼的包覆系數(shù)不大的情況下，優(yōu)化的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)充分地利用了磁鋼Ⅰ之間的間隙，即用磁鋼Ⅱ填充剩余間隙并改變這些填充磁鋼的充磁方向（圖中的箭頭代表磁鋼的充磁方向），以達(dá)到優(yōu)化磁路設(shè)計的目的。

圖1　 通用的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(a)及優(yōu)化的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(b)

2　電機(jī)磁路模型及優(yōu)化前后電機(jī)性能對比

2.1電機(jī)磁路

（1）未改進(jìn)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁路。在通常的永磁直流無刷電機(jī)中，電機(jī)工作的主要磁路為：磁剛Ⅰ→空氣隙→定子→空氣隙→相鄰的磁剛Ⅰ→轉(zhuǎn)子磁軛→重新回到磁剛Ⅰ，其磁路模型如圖2所示。在電機(jī)設(shè)計中，由于電機(jī)的漏磁通常較小。

圖2　通用的永磁直流無刷電機(jī)磁路模型

在圖2，mΦ —磁鋼產(chǎn)生的磁通，1Φ—漏磁通，gΦ—氣隙磁通，R m—磁鋼磁阻，R g—氣隙磁阻，R 1—漏磁磁阻，R s—定子磁阻，R r—轉(zhuǎn)子磁阻。由于氣隙是電機(jī)進(jìn)行能量交換的主要場所，依據(jù)簡化的磁路模型及磁路基爾霍夫第二定律可以得出氣隙的磁通為：

由上式可以看出，氣隙的磁通與磁鋼產(chǎn)生的磁通及磁路的磁阻有著密切的關(guān)系。

（2）優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)后的磁路。對于優(yōu)化的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其主要磁路為：磁剛Ⅰ→空氣隙→定子→空氣隙→相鄰的磁剛Ⅰ→轉(zhuǎn)子磁軛+插入的磁鋼Ⅱ→重新回到磁剛Ⅰ。優(yōu)化后的磁路模型如圖3所示，同理，忽略電機(jī)的漏磁效應(yīng)就可以將模型簡化，在此不做贅述。

2.2優(yōu)化前后電機(jī)性能對比

對比改進(jìn)前后電機(jī)的磁路（如圖2、圖3所示），本文所提出的優(yōu)化結(jié)構(gòu)具有以下特點：

（1）改進(jìn)后，整個磁路的磁阻會降低，則氣隙的磁通會提高，在匝數(shù)不變的情況下，電機(jī)的力矩系數(shù)會增加，電機(jī)的機(jī)械特性曲線會變硬，且電機(jī)的功率密度也會提高，這對于減小電機(jī)的體積、降低電機(jī)的重量具有一定的實際意義。說明：在設(shè)計時需保證電機(jī)的磁路不飽和。

（2）在一定情況下，能有效地提高電機(jī)的效率。這是由于電機(jī)轉(zhuǎn)子磁軛的磁密降低，電機(jī)轉(zhuǎn)子部分的鐵損減小的緣故。

圖3　優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)后的永磁直流無刷電機(jī)磁路模型

3　系統(tǒng)仿真實例

3.1仿真設(shè)置

為了對比轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對電機(jī)性能的影響，仿真模型僅在有無磁鋼Ⅱ上有區(qū)別，其它的參數(shù)設(shè)置、材料屬性等均一致。仿真模型的主要設(shè)計參數(shù)為：（1）電機(jī)類型：永磁直流無刷電機(jī)、三相六狀態(tài)星形連接；（2）電機(jī)槽極數(shù)：4極12槽；（3）供電電壓：56 V；（4）繞組類型：雙層繞組、整極距；（5）材料類型：軟磁材料35w270，硬磁材料SmCo30H。

3.2仿真結(jié)果與分析

仿真結(jié)果如圖4所示。圖4是兩個模型的周向氣隙磁密，其中，實線代表的是通用結(jié)構(gòu)的，點化線代表的是優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)的。由圖4可以明顯看出，優(yōu)化方案的計算極弧系數(shù)（所形成的每極氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度的平均值與最大值的比值）要明顯大于原始方案的計算計算極弧系數(shù)。通過對磁路的改善，每極的磁通會增加，這在一定程度上提高了電機(jī)的功率密度（或轉(zhuǎn)矩密度），使得電機(jī)更小型化和輕質(zhì)化。

圖4　仿真模型的周向氣隙磁密

改進(jìn)方案的轉(zhuǎn)子磁軛其磁力線要明顯稀疏于未改進(jìn)方案的，這在一定程度上會降低電機(jī)的鐵損，提高電機(jī)的效率，這種改善效果在高轉(zhuǎn)速電機(jī)中表現(xiàn)的更為明顯

4　結(jié)論

電機(jī)設(shè)計時，電機(jī)的磁路優(yōu)化是一個值得深入的問題。本文所提出的磁路優(yōu)化方案對電機(jī)的性能有著一定的改善，具有一定的工程應(yīng)用意義。

[1]譚建成.永磁無刷直流電機(jī)技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

[2]周贛，黃學(xué)亮，周勤博，等.Halbach型永磁陣列的應(yīng)用綜述[J].微特電機(jī)，2008,8.

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