葛 笑，諸自強(qiáng)，2，陳金濤

(1．廣東威靈電機(jī)制造有限公司，佛山528311;2．英國(guó)謝菲爾德大學(xué)，謝菲爾德 S1 3JD)

0 引 言

與表貼式永磁電機(jī)相比，內(nèi)置式永磁電機(jī)在某些方面體現(xiàn)出明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)［1－3］。首先，永磁體可方便地埋設(shè)于轉(zhuǎn)子鐵心之中而不需要附加的綁扎和固定措施，方便制造且更適合于高速運(yùn)行場(chǎng)合。其次，由于交/直軸磁路不對(duì)稱而導(dǎo)致的凸極效應(yīng)，內(nèi)置式設(shè)計(jì)可利用磁阻轉(zhuǎn)矩以改善轉(zhuǎn)矩性能的同時(shí)亦可減少永磁體用量，該特點(diǎn)在整數(shù)槽永磁電機(jī)中尤為突出。再者，由于不直接面對(duì)氣隙，永磁體的退磁風(fēng)險(xiǎn)得以顯著降低。此外，不同于表貼式電機(jī)中瓦片狀永磁體，內(nèi)置式設(shè)計(jì)中的永磁體通常為規(guī)則的長(zhǎng)方體，有效地節(jié)省了材料和制作成本?？紤]到上述優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)置式永磁電機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中得到越來越多的重視。

對(duì)于切向內(nèi)置式永磁電機(jī)，由于相鄰永磁體的聚磁效應(yīng)，電機(jī)氣隙磁密和轉(zhuǎn)矩輸出能力可以得到明顯的提升。然而，減小轉(zhuǎn)子內(nèi)表面處的漏磁通仍需要采取特殊的措施［3－6］。一種常規(guī)的方法是采用非導(dǎo)磁性的材料，如轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸之間的隔磁銅套，或者采用非磁性轉(zhuǎn)軸。在達(dá)到良好隔磁效果的同時(shí)，也不可避免地提升了電機(jī)的制造成本。另一種常見的方法是采用內(nèi)部隔磁橋設(shè)計(jì)，無需增加額外的隔磁材料。然而，磁橋的寬度(即隔磁氣隙的間距)需要嚴(yán)格控制，這與硅鋼片的沖壓工藝要求相矛盾［7］。近來，相關(guān)文獻(xiàn)還提出采用間隔放置的徑向式輔助磁體來改善切向內(nèi)置式設(shè)計(jì)的磁通分布［8］，但同時(shí)轉(zhuǎn)軸也隨之產(chǎn)生磁性，降低了轉(zhuǎn)軸的壽命和電機(jī)的可靠性。此外，分析軸向不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的性能往往需要借助于三維有限元，所以推導(dǎo)合理的等效計(jì)算方法可以節(jié)省大量的分析時(shí)間。然而，此前的文獻(xiàn)很少聚焦在這些問題，使得切向內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用遇到了一定的瓶頸。

為了解決上述問題，本文提出一種切向內(nèi)置式永磁電機(jī)的新型轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，通過間隔磁橋的方法限制內(nèi)部漏磁通，和分段錯(cuò)位轉(zhuǎn)子的方式消除出軸側(cè)的單向漏磁通，進(jìn)而避免轉(zhuǎn)軸的磁性。同時(shí)通過二維和三維有限元的比較分析，推論出該種設(shè)計(jì)性能計(jì)算的簡(jiǎn)化方法。此外，對(duì)高速運(yùn)行條件下該新型轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行了分析校核。最后，通過樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了該種設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩性能和前述等效計(jì)算方法的有效性。

1 切向內(nèi)置式永磁電機(jī)的新型轉(zhuǎn)子

1． 1具有間隔磁橋的切向式轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

在切向內(nèi)置式電機(jī)中，為了限制轉(zhuǎn)子內(nèi)表面處的漏磁，采用非磁性材料，如轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸之間的隔磁銅套或者采用非磁性轉(zhuǎn)軸［3］，但電機(jī)制造成本顯著增加。另一種方式是采用內(nèi)部隔磁橋(如圖1(a)所示)技術(shù)，其限制漏磁的效果和磁橋的周向?qū)挾让芮邢嚓P(guān)，通常隔磁橋越窄，隔磁效果越好。然而，過窄的磁橋?qū)挾葎?shì)必影響硅鋼片(薄板件)的沖壓工藝。為了解決這一矛盾，本文提出一種具有間隔磁橋的切向式轉(zhuǎn)子(如圖1(b)所示)——內(nèi)部隔磁橋的數(shù)目為永磁極數(shù)的一半，且間隔分布于所有N極(或S極)下。

圖1 具有傳統(tǒng)隔磁橋和間隔磁橋的切向內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子

為了衡量不同設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)性能的影響，分別建立了傳統(tǒng)磁橋和間隔磁橋設(shè)計(jì)的二維有限元模型，主要參數(shù)如表1所示。首先，從空載轉(zhuǎn)子磁通分布(如圖2(a)所示)可以發(fā)現(xiàn)，由于在漏磁回路中引入了高磁阻的隔磁氣隙，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑處的漏磁通可以得到有效的抑制。另外，磁橋周向?qū)挾葘?duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的影響也進(jìn)行了比較分析(如圖2(b)所示)。對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，當(dāng)磁橋?qū)挾葟?．0mm增加到3．0mm時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩從4．48 N·m下降為3．70 N·m。而采用間隔磁橋設(shè)計(jì)時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩稍有降低，僅從4．71 N·m變?yōu)?．57 N·m。所以，間隔磁橋設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩性能對(duì)磁橋?qū)挾鹊拿舾行燥@著降低。

表1 切向內(nèi)置式永磁電機(jī)模型主要參數(shù)

圖2 不同磁橋設(shè)計(jì)對(duì)漏磁路和電磁轉(zhuǎn)矩的影響

為方便比較，在下文的分析中，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和間隔磁橋設(shè)計(jì)的磁橋?qū)挾确謩e選擇為1 mm和2 mm，并建立對(duì)應(yīng)的有限元分析模型。圖3(a)與圖3(b)分別對(duì)電機(jī)的氣隙磁密和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了比較?？梢钥闯?，由于沿轉(zhuǎn)子內(nèi)表面的漏磁通得到有效抑制，一定程度上提升了間隔磁橋設(shè)計(jì)的氣隙磁密，從而使得電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩由4．48 N·m增加到4．60 N·m。更為重要的是，該轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的內(nèi)側(cè)隔磁橋?qū)挾让黠@增加，解決了漏磁通限制和沖片沖壓工藝之間的矛盾，方便了切向內(nèi)置式永磁電機(jī)的制造。

圖3 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和間隔磁橋設(shè)計(jì)的電機(jī)性能比較(二維有限元)

1． 2分段錯(cuò)位轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

通過以上分析可見，間隔磁橋的設(shè)計(jì)在方便沖壓工藝的同時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能也得到一定程度的提升。然而在三維有限元分析過程中發(fā)現(xiàn)，上述設(shè)計(jì)導(dǎo)致明顯的單向漏磁通存在于轉(zhuǎn)軸之中，如圖4所示，造成轉(zhuǎn)軸的磁性，影響了軸承的使用壽命。

圖4 切向內(nèi)置式電機(jī)間隔磁橋設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的單向漏磁通

為解決這一問題，進(jìn)一步提出分段錯(cuò)位轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)(如圖5(a)所示)——將轉(zhuǎn)子鐵心沿軸向等分為兩段，且兩段之間錯(cuò)開一個(gè)極距放置。借助于三維有限元分析，得到出軸端的磁場(chǎng)分布(如圖5(b所示))。對(duì)比圖4與圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸磁性的單向漏磁通已經(jīng)基本消除。

圖5 分段錯(cuò)位轉(zhuǎn)子對(duì)單向漏磁通的削弱

實(shí)際上，轉(zhuǎn)子分段錯(cuò)位設(shè)計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)軸中單向漏磁通的削弱可從漏磁通回路的改變(如圖6所示)加以解釋。由于間隔磁橋僅位于N極(或S極)極面之下，轉(zhuǎn)軸中的漏磁通保持單一方向，借助鐵心外的軸向空間形成回路(如圖6(a)所示)。分段錯(cuò)位后，沿轉(zhuǎn)子內(nèi)表面的漏磁通回路主要由軸向相鄰的磁橋構(gòu)成(如圖6(b)所示)，從而避免了轉(zhuǎn)軸中單向漏磁通的存在。

圖6 分段錯(cuò)位設(shè)計(jì)對(duì)間隔磁橋設(shè)計(jì)漏磁通路徑的影響

通過以上分析，切向內(nèi)置式永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子可通過具有足夠?qū)挾鹊拈g隔磁橋解決沖壓工藝的難題，其引起的單向漏磁通可以進(jìn)一步通過分段錯(cuò)位轉(zhuǎn)子的方式得以削除，而幾乎不增加電機(jī)的生產(chǎn)制造成本。

2 電機(jī)性能分析

上述新型轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)能夠有效地解決切向式轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)工藝難題，而作為電機(jī)的基本性能，其轉(zhuǎn)矩輸出能力和機(jī)械強(qiáng)度則需要進(jìn)一步地比較和驗(yàn)證。

2． 1 轉(zhuǎn)矩性能

首先，通過二維和三維有限元分別計(jì)算出傳統(tǒng)磁橋(1 mm)和間隔磁橋設(shè)計(jì)(2 mm)的轉(zhuǎn)矩性能，如圖7所示?？紤]到轉(zhuǎn)子端部效應(yīng)的存在，間隔磁橋設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩性能由4．60 N·m下降到4．40 N·m。傳統(tǒng)磁橋設(shè)計(jì)也呈現(xiàn)出類似的特征，轉(zhuǎn)矩由4．48 N·m下降為4．29 N·m。

當(dāng)采用分段錯(cuò)位轉(zhuǎn)子方式削除單向漏磁通時(shí)，鑒于其軸向不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)矩性能的計(jì)算需要借助于三維有限元方法，如圖8所示。此外，傳統(tǒng)磁橋設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩性能也在圖中示出?？梢?，轉(zhuǎn)子采用分段錯(cuò)開方式后，其轉(zhuǎn)矩由4．40 N·m下降為4．31 N·m，和采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的4．29 N·m轉(zhuǎn)矩非常接近。實(shí)際上，2 mm寬間隔磁橋采用分段錯(cuò)位方式時(shí)的漏磁導(dǎo)可以等效為1 mm寬傳統(tǒng)磁橋設(shè)計(jì)的漏磁導(dǎo)，從而兩種設(shè)計(jì)沿轉(zhuǎn)子內(nèi)表面的漏磁通基本一致，導(dǎo)致兩種設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩輸出能力基本相當(dāng)。

圖7 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與間隔磁橋設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩性能的比較(二維/三維有限元)

圖8 傳統(tǒng)磁橋與分段錯(cuò)位轉(zhuǎn)子間隔磁橋設(shè)計(jì)—轉(zhuǎn)矩性能的比較(三維有限元)

因此，對(duì)于采用間隔磁橋和分段錯(cuò)位轉(zhuǎn)子方式的切向內(nèi)置式永磁電機(jī)來說，可以先采用二維有限元方法分析磁橋?qū)挾葹槠?/2的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，以評(píng)估電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力，避免了在電機(jī)概念設(shè)計(jì)階段繁瑣的三維有限元計(jì)算。完成概念設(shè)計(jì)和初步優(yōu)化后，可再進(jìn)一步通過三維有限元計(jì)及端部效應(yīng)的影響。

2． 2 機(jī)械強(qiáng)度

除了電磁性能，高速運(yùn)行時(shí)的機(jī)械強(qiáng)度則是內(nèi)置式永磁電機(jī)的又一重要指標(biāo)。應(yīng)用Ansys軟件，計(jì)算出該分段錯(cuò)位轉(zhuǎn)子間隔磁橋設(shè)計(jì)在5 000 r/min條件下的機(jī)械強(qiáng)度，包括機(jī)械應(yīng)力和形變，如圖9所示。結(jié)果顯示，其最大應(yīng)力為21 MPa，遠(yuǎn)低于硅鋼片材料的抗拉強(qiáng)度，證明該轉(zhuǎn)子具有足夠的安全裕量。而且，0．001 mm的形變也保證了該轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)在上述給定轉(zhuǎn)速下的安全運(yùn)行。

圖9 分段錯(cuò)位轉(zhuǎn)子間隔磁橋設(shè)計(jì)的機(jī)械強(qiáng)度(5 000 r/min)

3 樣機(jī)制作與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能以及前述等效方法的準(zhǔn)確性，按照表1的主要參數(shù)，分別制作了傳統(tǒng)磁橋和間隔磁橋設(shè)計(jì)的切向內(nèi)置式的永磁電機(jī)樣機(jī)，如圖10所示。

圖10 切向內(nèi)置式永磁電機(jī)樣機(jī)

首先，在500 r/min轉(zhuǎn)速下對(duì)兩種磁橋設(shè)計(jì)的樣機(jī)進(jìn)行了空載反電勢(shì)的測(cè)試，如圖11(a)所示。此外，考慮到實(shí)驗(yàn)電源最大電流的限制，在電機(jī)的三相繞組中通以20 A的直流電流(Ia=20 A，Ib=Ic=－10 A)，分別測(cè)得兩種轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，如圖11(b)所示?？梢钥闯錾鲜鰞煞N轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)所達(dá)到的空載反電勢(shì)(3．80 V)和靜態(tài)轉(zhuǎn)矩(1．15 N·m)均吻合良好，從而驗(yàn)證了前述性能計(jì)算等效方法的準(zhǔn)確性。另外，三維有限元的分析結(jié)果也在圖11中示出，與測(cè)試基本吻合。

圖11 不同磁橋設(shè)計(jì)空載反電勢(shì)和靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的比較

可見，本文所述的新型轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)在不影響轉(zhuǎn)矩輸出能力的情況下，巧妙地解決了傳統(tǒng)切向內(nèi)置式永磁電機(jī)的生產(chǎn)工藝問題，對(duì)于該類型電機(jī)的推廣使用具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種切向內(nèi)置式永磁電機(jī)的新型轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，通過間隔磁橋的方法簡(jiǎn)化電機(jī)的生產(chǎn)工藝，和分段錯(cuò)位轉(zhuǎn)子的方式消除上述設(shè)計(jì)導(dǎo)致的單向漏磁，避免了電機(jī)轉(zhuǎn)軸的磁性。在不惡化轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，該設(shè)計(jì)可獲得良好的轉(zhuǎn)矩性能。此外，推論出該設(shè)計(jì)性能計(jì)算的等效方法，在電機(jī)設(shè)計(jì)階段可避免繁瑣的三維有限元計(jì)算。樣機(jī)試驗(yàn)表明，該轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)能夠保證轉(zhuǎn)矩輸出能力，所述的等效計(jì)算方法也具有良好的計(jì)算精度。

［1］ WANG A M，LI H M，LIU C T．On the material and temperature impacts of interior permanent magnet machine for electric vehicle applications［J］．IEEE，Transactions on Magnetics，2008:44(11):4329－4332．

［2］ AZAR Z，ZHU Z Q，OMBACH G．Investigation of torque － speed characteristics and cogging torque of fractional－slot IPM brushless ACmachines having alternate slot openings［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，2012，48(3):903 －912．

［3］ 唐任遠(yuǎn)．現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997．

［4］ HWANGK Y，JO JH，KWON B I．A study on optimal pole design of spoke－type IPMSM with concentrated winding for reducing the torque ripple by experiment design method［J］．IEEE Transactions on Magnetics，2009，45(10):4712 －4715．

［5］ KIM D Y，NAM J K，JANG G H．Reduction of magnetically induced vibration of a spoke－type IPM motor using magnetomechanical coupled analysis and optimization［J］．IEEE Transactions on Magnetics，2013，49(9):5097 －5105．

［6］ DEMIR Y，OCAK O，AYDIN M．Design，optimization and manufacturing of a spoke type interior permanent magnet synchronous motor for low voltage－h(huán)igh current servo applications［C］//Electric Machines＆ Drives Conference．IEEE，2013:9 －14．

［7］ 齊衛(wèi)東．簡(jiǎn)明沖壓模具設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:北京理工大學(xué)出版社，2009．

［8］ BOUGHRARA K，IBTIOUEN R，TAKORABET N．Analytic calculation of magnetic field and electromagnetic performances of spoke type IPM topologies with auxiliary magnets［C］//International Conference in Electrical Machines．IEEE，2014:51－57．