周成虎，孔婉琦，黃明明

(1.河南工程學(xué)院，鄭州 451191；2.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，鄭州 450044)

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12槽10極磁通切換型永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)與分析

周成虎1，孔婉琦2，黃明明1

(1.河南工程學(xué)院，鄭州 451191；2.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，鄭州 450044)

磁通切換型永磁同步電機(jī)因其定轉(zhuǎn)子拓?fù)浜唵巍⒔Y(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)矩密度大、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)在較寬速度范圍內(nèi)運(yùn)行調(diào)速，適用于風(fēng)力發(fā)電、混合動(dòng)力汽車等領(lǐng)域。在深入分析磁通切換型永磁同步電機(jī)磁通切換工作原理基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一臺(tái)12槽10極磁通切換型雙凸極電機(jī)，采用有限元方法計(jì)算了電機(jī)的氣隙磁場、永磁磁鏈和反電動(dòng)勢(shì)、齒槽轉(zhuǎn)矩以及輸出轉(zhuǎn)矩等電磁特性。最后通過一臺(tái)3 kW樣機(jī)對(duì)其轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了上述方法的正確性。

磁通切換；永磁同步電機(jī)；轉(zhuǎn)矩特性；齒槽轉(zhuǎn)矩

0 引 言

近年來，永磁同步電機(jī)(以下簡稱PMSM)以其結(jié)構(gòu)簡單、功率密度高、運(yùn)行可靠性好以及維護(hù)成本較低而得到較大發(fā)展。PMSM采用高能永磁體作為磁勢(shì)源能夠提供大的磁動(dòng)勢(shì)，使得電機(jī)力能指標(biāo)得到較大提升[1]。并且與傳統(tǒng)電勵(lì)磁電機(jī)相比，電機(jī)鐵耗和銅耗大幅下降，在電機(jī)體積重量減小的同時(shí)電機(jī)功率因數(shù)得到提高， PMSM可以在接近單位功率因數(shù)狀態(tài)運(yùn)行，因此在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域越來越引起人們重視。傳統(tǒng)PMSM多采用轉(zhuǎn)子永磁式結(jié)構(gòu)，為滿足不同應(yīng)用場合需要，轉(zhuǎn)子型永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)較為靈活多樣，依據(jù)永磁體位置不同PMSM通?？煞譃楸碣N式、Halbach式和內(nèi)嵌式三種結(jié)構(gòu)，不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能使得PMSM電磁性能不盡相同。但轉(zhuǎn)子型永磁型PMSM主要存在散熱困難和離心力過大問題，前者使得電機(jī)溫升容易過高，導(dǎo)致電機(jī)容易發(fā)生故障，并且較大的溫升也會(huì)使得永磁體產(chǎn)生不可逆退磁現(xiàn)象，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)需要留出一定冗余量，造成電機(jī)出力不足、功率密度難以提升，制約了電機(jī)性能的提升[2]。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)子部分高速旋轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)產(chǎn)生較大的離心力，此時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子永磁體安裝有著特殊要求，若轉(zhuǎn)子永磁安置不佳，則容易出現(xiàn)永磁體被甩出的情況，通常處理方法為采用額外的加固部件對(duì)轉(zhuǎn)子部分進(jìn)行固定，以確保電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度，然而增加的固定裝置提升了電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，也使得制造成本有所增加[3]。

磁通切換型永磁同步電機(jī)(以下簡稱FSPMSM)則能夠克服以上兩個(gè)問題，通過采用定子永磁結(jié)構(gòu)，將永磁體嵌入布置在定子齒上，轉(zhuǎn)子采用凸極齒輪式結(jié)構(gòu)，整個(gè)電機(jī)采用集中式電樞繞組連接，使電機(jī)結(jié)構(gòu)得到大大簡化，同時(shí)定子內(nèi)嵌式永磁體結(jié)構(gòu)使得電機(jī)在功率密度、轉(zhuǎn)矩密度和功率因數(shù)方面有著較好表現(xiàn)，同時(shí)也降低了永磁體的退磁風(fēng)險(xiǎn)，在風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車、艦船推進(jìn)等應(yīng)用場合有著較好的應(yīng)用前景[4]。因此，圍繞FSPMSM新型拓?fù)?、電磁參?shù)計(jì)算、靜態(tài)分析以及高效控制算法等方面，國內(nèi)外學(xué)者展開了相關(guān)研究，取得了一系列研究成果[5-7]。與同尺寸PMSM相比，F(xiàn)SPMSM具有較優(yōu)的調(diào)速區(qū)間，因此本文從分析FSPMSM工作原理入手，設(shè)計(jì)了一臺(tái)12槽10極FSPMSM，并計(jì)算和分析了其電磁特性，最后制作了一臺(tái)3 kW三相12槽10極FSPMSM樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 FSPMSM結(jié)構(gòu)及磁通切換原理

定子永磁型三相FSPMSM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，繞組連接如表1所示。

(a)電機(jī)結(jié)構(gòu)及繞組排列(b)三維剖面圖

(c) 繞組連接星槽圖圖1 12槽10極FSPMSM拓?fù)浼袄@組排列 表1 12槽10極FSPMSM繞組連接

槽號(hào)1234…上層邊A+B+B-C-…下層邊…A-B-B+C+

圖1(a)為電機(jī)平面結(jié)構(gòu)圖，定轉(zhuǎn)子采用12槽10極配合，定子部分采用12個(gè)U型模塊導(dǎo)磁鐵心, 每一個(gè)定子齒內(nèi)嵌永磁體，形成12片切向交替充磁的永磁體。電機(jī)轉(zhuǎn)子采用齒輪式凸極結(jié)構(gòu)，類似于傳統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子部分。圖1(b)為電機(jī)三維剖面圖，可觀察到轉(zhuǎn)子部分采用齒輪式凸極無繞組形式，結(jié)構(gòu)簡單，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁型PMSM相比，此類型電機(jī)顯然在降低溫升方面有著較優(yōu)表現(xiàn)，適合于大轉(zhuǎn)矩推力以及對(duì)溫升較為敏感的精密加工領(lǐng)域表1為其繞組連接，整個(gè)電機(jī)繞組沿圓周均布采用三相集中式結(jié)構(gòu)，采用周期性A+A-B+B-C+C-連接,每相繞組分別由4 個(gè)線圈構(gòu)成。繞組端部較分布式繞組減小較多，能夠大大節(jié)省繞組銅導(dǎo)線用量，從而減小端部效應(yīng)大大降低電機(jī)端部損耗，電機(jī)效率得到提升。同時(shí)此電機(jī)繞組具有互補(bǔ)性特點(diǎn)，可以大大減少甚至抵消永磁磁鏈、反電勢(shì)波形中的高次諧波分量，即使轉(zhuǎn)子不采用斜槽結(jié)構(gòu)仍可獲得較高正弦度的波形。圖1(c)為其星槽圖，此12槽10極電機(jī)結(jié)構(gòu)繞組因數(shù)高達(dá)0.960，遠(yuǎn)大于12槽其它極槽組合電機(jī)繞組系數(shù)，相同繞組數(shù)時(shí)能夠產(chǎn)生更大的反電勢(shì)。

所謂磁通切換原理，是指隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鏈會(huì)隨之發(fā)生方向和數(shù)量改變，產(chǎn)生正負(fù)極性交變和數(shù)值大小變化。電機(jī)的一個(gè)電周期即為一個(gè)轉(zhuǎn)子極距，對(duì)應(yīng)著磁通數(shù)值隨磁鏈從進(jìn)入繞組到穿出繞組在最大與最小之間變化[8]。當(dāng)凸極轉(zhuǎn)子在穿出和穿入兩個(gè)位置之間持續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電樞繞組匝鏈的永磁磁鏈就不斷地在正負(fù)最大值范圍內(nèi)呈重復(fù)性周期變化，繞組兩端產(chǎn)生出幅值和相位交替變化的反電勢(shì)，此過程即被稱為“磁通切換”。

2 12槽10極FSPMSM尺寸確定

與傳統(tǒng)磁通切換磁阻電機(jī)類似，F(xiàn)SPMSM定子均采用集中式繞組，轉(zhuǎn)子采用凸極設(shè)計(jì)。當(dāng)確定所設(shè)計(jì)FSPMSM功率以及定轉(zhuǎn)子極槽數(shù)目后，電機(jī)定子外徑可通過功率尺寸方程求得[9]：

(1)

式中：Dg為電機(jī)外徑；Pout為額定輸出功率；Z為電機(jī)定子數(shù)；n為轉(zhuǎn)速；Bgmax氣隙永磁磁密峰值；As為線負(fù)荷；Pr為永磁體極對(duì)數(shù)；η為電機(jī)效率；kd為波形系數(shù)；ke為漏磁系數(shù)；cosθ為功率因數(shù)。

電機(jī)軸向有效長度Lef為：

(2)

式中：λ為電機(jī)外徑與軸向長度的比值，通常初始取值在0.40～0.65范圍之間。

電機(jī)每相繞組數(shù)Nc為：

(3)

式中：U為電機(jī)的額定電壓。

氣隙中心線處最大氣隙磁通密度Φmax為：

(4)

輸出轉(zhuǎn)矩T表達(dá)式：

(5)

基于上述分析，設(shè)計(jì)一臺(tái)12槽10極FSPMSM，輸出功率Pout為3kW，其基本尺寸如表2所示。

表2 12槽10極FSPMSM基本尺寸

3 FSPMSM靜態(tài)電磁特性分析

圖2為12槽10極FSPMSM的磁場分布，剖分時(shí)在定子軛部增加一層空氣區(qū)域以分析其外部漏磁情況，網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖2(a)所示，磁力線分布如圖2(b)所示，磁密云圖如圖2(c)所示。

(a)剖分圖(b)磁力線分布

(c) 磁密云圖圖2 12槽10極FSPMSM磁場分布

由圖2(a)網(wǎng)格剖分結(jié)果可看出其網(wǎng)格剖分質(zhì)量較好。對(duì)于圖2(b)，從其磁力線分布中可以明顯看出其10極結(jié)構(gòu)。對(duì)于圖2(c)磁密云圖，因其采用定子永磁型結(jié)構(gòu)，在軛部有稍許漏磁，同時(shí)定子內(nèi)嵌永磁體處磁密較為飽和。

圖3為12槽10極FSPMSM徑向氣隙磁密分布。

圖3 12槽10極FSPMSM氣隙磁密分布

由圖3可以看出此電機(jī)的氣隙磁密波形分布不規(guī)則，諧波分量稍多，類似于傳統(tǒng)的開關(guān)磁阻電機(jī)。同時(shí)由于永磁體是切向交替充磁的，使得電機(jī)聚磁效應(yīng)明顯，兩塊永磁體產(chǎn)生的磁通會(huì)聚在一起穿過氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子齒，即使不可避免地有相當(dāng)?shù)穆┐磐ǎ撾姍C(jī)的氣隙磁密依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它類型永磁電機(jī)，由圖中可以看出磁密峰值可以達(dá)到2.4 T，而較高的氣隙飽和程度能夠匝鏈更多的繞組磁通，使得電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大大增加。

由圖1(a)可知，12槽10極FSPMSM每相繞組有4 個(gè)線圈, 其中兩兩相對(duì)的線圈分別呈180°對(duì)稱。以A相為例，由于水平方向上A+和A-同屬A相, 每相磁通為兩個(gè)線圈磁通疊加之和，同理反電勢(shì)同樣滿足此疊加原理。疊加后的電機(jī)磁鏈和反電勢(shì)分布如圖4所示。

(a)磁鏈波形(b)反電勢(shì)波形

圖4 12槽10極FSPMSM磁鏈與反電勢(shì)波形

由圖4可以看出，所設(shè)計(jì)磁通切換電機(jī)磁鏈和反電勢(shì)波形均呈現(xiàn)雙極性，并且電機(jī)磁通和反電勢(shì)正弦度較好，表明電機(jī)諧波分量較小。

電樞繞組電流密度對(duì)電機(jī)性能有著大的影響，取電流密度從2.5 A/mm2到6.5 A/mm2變化，12槽10極FSPMSM輸出轉(zhuǎn)矩隨電流密度變化如圖5所示。

圖5 輸出轉(zhuǎn)矩隨電流密度變化曲線

由圖5可以看出，所設(shè)計(jì)FSPMSM輸出轉(zhuǎn)矩隨著電流密度升高而增加， 但是電流密度的增大會(huì)帶來電機(jī)溫升的增大，同時(shí)可以看出，在電流密度超過4.5 A/mm2后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩提升并不明顯，因此考慮溫升及損耗因素后，本電機(jī)設(shè)計(jì)電流密度取值為4.5 A/mm2。

FSPMSM一個(gè)顯著特點(diǎn)是有著較大的輸出轉(zhuǎn)矩，為驗(yàn)證其大的輸出轉(zhuǎn)矩特性，這里選取某商用PMSM(P=3 kW,n=1 500 r/min)與其進(jìn)行對(duì)比，二者轉(zhuǎn)矩輸出特性曲線如圖6所示。

由圖6可以看出所設(shè)計(jì)FSPMSM其輸出轉(zhuǎn)矩為19.1 N·m，而同功率傳統(tǒng)PMSM輸出轉(zhuǎn)矩為15.2 N·m，因此同功率FSPMSM較傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子永磁型PMSM輸出轉(zhuǎn)矩增加20.4%左右，且隨著電機(jī)功率等級(jí)的增加，其在得到大轉(zhuǎn)矩輸出的同時(shí)，所特有的電機(jī)結(jié)構(gòu)使得散熱較傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)有明顯提升。

圖6 12槽/10極FSPMSM轉(zhuǎn)矩特性

齒槽轉(zhuǎn)矩是衡量電機(jī)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，其由電機(jī)定轉(zhuǎn)子間開槽所引起的，是電機(jī)噪聲、振動(dòng)的主要來源。12槽10極FSPMSM齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化前后對(duì)比如圖7所示。

圖7 12槽10極FSPMSM齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化前后對(duì)比

從圖7可以看出，在保證高轉(zhuǎn)矩輸出能力的同時(shí)，也必然導(dǎo)致了其齒槽轉(zhuǎn)矩較大，優(yōu)化前其齒槽轉(zhuǎn)矩值為約1.2 N·m，接近輸出轉(zhuǎn)矩的6.2%。大的齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)帶來電機(jī)運(yùn)行時(shí)有較大噪聲和振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致電機(jī)不能正常工作。因此應(yīng)盡可能降低齒槽轉(zhuǎn)矩值，可看到優(yōu)化后的齒槽轉(zhuǎn)矩值為0.40 N·m，約為輸出轉(zhuǎn)矩的2.1%，滿足工程應(yīng)用精度要求。

4 仿真分析與實(shí)驗(yàn)論證

基于上述有限元計(jì)算和分析，筆者設(shè)計(jì)了一臺(tái)3 kW三相12槽10極FSPMSM，繞組形式采用集中式三相繞組，其主要參數(shù)如表3所示。

表3 三相12槽10極FSPMSM樣機(jī)主要參數(shù)

以所設(shè)計(jì)電機(jī)為測試對(duì)象，連同轉(zhuǎn)矩測試儀等器件搭建了12槽10極3 kW FSPMSM實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖8所示。

基于此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電機(jī)性能，采用示波器、光電編碼器，連同轉(zhuǎn)矩(扭矩)測試儀測量了其反電勢(shì)、輸出轉(zhuǎn)矩，并與有限元計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，分別如圖9、圖10所示。其中轉(zhuǎn)矩測試時(shí)采用效率較高的矢量控制方法[10]，電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)A相電流波形如圖11所示。

圖8 磁通切換型永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖9 實(shí)測反電勢(shì)波形圖10 實(shí)測輸出轉(zhuǎn)矩

圖11 電流測試波形(A相)

由圖中可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 500r/min時(shí)， 實(shí)測值與有限元計(jì)算總體趨勢(shì)一致，實(shí)測反電勢(shì)峰值略低于理論值，而最大輸出轉(zhuǎn)矩約為18.5N·m，與輸出轉(zhuǎn)矩理論值相19.1N·m相比，實(shí)測輸出轉(zhuǎn)矩有稍許跌落，主要原因在于電機(jī)制造加工精度以及繞組端部效應(yīng)所引起的損耗。

5 結(jié) 語

在對(duì)FSPMSM磁通切換原理深入分析基礎(chǔ)上，給出了其基本電磁設(shè)計(jì)表達(dá)式，設(shè)計(jì)了一臺(tái)12槽10極磁通切換型永磁同步電機(jī)，采用有限元方法分析并計(jì)算了電機(jī)氣隙磁密、磁鏈、反電勢(shì)、齒槽轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩等靜態(tài)特性。最后通過設(shè)計(jì)一臺(tái)3kW12槽10極FSPMSM樣機(jī)對(duì)上述設(shè)計(jì)、分析與計(jì)算進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過實(shí)測反電勢(shì)、輸出轉(zhuǎn)矩波形與有限元計(jì)算結(jié)果比較，驗(yàn)證了上述分析和設(shè)計(jì)的正確性，表明此類電機(jī)在輸出轉(zhuǎn)矩、冷卻等方面由于傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)，對(duì)進(jìn)一步研究此類電機(jī)在較小體積和質(zhì)量、較大出力等限制較多場合應(yīng)用有一定參考價(jià)值。

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Design and Analysis of 12 Slots/10 Poles Flux Switching Permanent Magnet Synchronous Machine

ZHOUCheng-hu1,KONGWan-qi2,HUANGMing-ming1

(1.Henan Institute Engineering,Zhengzhou 451191,China；2.Henan University of Animal Husbandry and Economy，Zhengzhou 450044,China)

With the features of stator and rotor′s simple structure, compact design, high torque density and low failure rate, flux switching permanent magnet synchronous machine (FSPMSM) can effectively broaden the performance speed range in the fields of wind power generation and hybrid vehicles applications. Based on the analysis of the working principle of this machine, one 12 slots 10 poles FSPMSM was designed by FEM, in additional, the corresponding air-gap flux density, the flux linkage, the back EMFs, cogging torque and output torque of the machine are calculated. Finally, a 3 kW prototype was designed to investigate the mentioned analysis and calculation above. The experimental results are consistent with the FEM results, which verify the correctness of above methods.

flux switching； permanent magnet synchronous machine (PMSM)； torque characteristic; cogging torque

2015-07-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61403123)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(14A510010)

TM341；TM351

A

1004-7018(2016)07-0030-04

周成虎(1973-)，男，碩士，講師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)與電器、非接觸電能傳輸技術(shù)。