徐鋒

摘 要 本文提出的新型永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，能夠使永磁同步電機(jī)同時(shí)具有內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)和表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的各自優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)采用該磁路結(jié)構(gòu)后，能夠使平行充磁的轉(zhuǎn)子磁鋼具有等效的徑向充磁效果。并且能夠增加轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度，提高電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。避免轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)行或沖擊振動(dòng)過(guò)程中對(duì)磁鋼的損壞。通過(guò)對(duì)磁路結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路特性接近于一般的表貼式磁鋼結(jié)構(gòu)，因此對(duì)電機(jī)的控制更加簡(jiǎn)單可靠；并且由于轉(zhuǎn)子每極采用兩片磁鋼，使平行充磁的磁鋼達(dá)到了徑向充磁的目的，從而改善了電機(jī)反電勢(shì)波形、降低了齒槽轉(zhuǎn)矩。

關(guān)鍵詞 永磁同步電機(jī)；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；諧波畸變率；交直軸電感

中圖分類號(hào) TM34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）16-0079-03

與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕的特點(diǎn)。從控制角度分析，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性與直流電機(jī)相似，因此，具有調(diào)速范圍寬，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、快速的優(yōu)點(diǎn)[1]。在新能源汽車驅(qū)動(dòng)、航空航天、伺服傳動(dòng)等控制精度要求高、運(yùn)行可靠的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

從永磁同步電機(jī)磁鋼的安裝方式劃分，可以將永磁同步電機(jī)分為表貼式永磁同步電機(jī)（SPM）和內(nèi)置式永磁同步電機(jī)（IPM）兩種[2]。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)由于磁鋼嵌在鐵芯內(nèi)部，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加可靠，使磁鋼能夠承受更高的轉(zhuǎn)速和沖擊。但由于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路的直軸磁導(dǎo)小于交軸磁導(dǎo)，使電機(jī)的交直軸電感不相等，并且交直軸磁路具有交叉影響，大大增加了對(duì)內(nèi)置式電機(jī)控制的難度，使控制系統(tǒng)更加復(fù)雜；表貼式永磁電機(jī)的磁鋼貼在轉(zhuǎn)子表面，固定方式簡(jiǎn)單，但可靠性較差。雖然在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用綁扎等固定措施，但增加了氣隙長(zhǎng)度，影響電機(jī)的運(yùn)行性能[3-4]。

本文針對(duì)兩種磁路結(jié)構(gòu)存在的缺點(diǎn)，提出了新型永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路，該磁路結(jié)構(gòu)同時(shí)具有內(nèi)置式和表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的各自優(yōu)點(diǎn)，提升了電機(jī)的整體性能。并進(jìn)行了有限元仿真分析，最后通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了該磁路結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 數(shù)學(xué)模型

圖1為傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。即表貼式磁路結(jié)構(gòu)和內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)。

圖1（a）為表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)磁鋼固定在轉(zhuǎn)子表面，由于磁鋼的磁導(dǎo)率與空氣的磁導(dǎo)率近似相等，因此該磁路結(jié)構(gòu)屬于隱極式結(jié)構(gòu)，即電機(jī)的交直軸電感近似相等。圖1（b）為內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由于磁鋼的磁導(dǎo)率與硅鋼片的磁導(dǎo)率相差較大，因此該磁路結(jié)構(gòu)屬于凸極式結(jié)構(gòu)，即電機(jī)的直軸電感小于交軸電感。

根據(jù)永磁同步電機(jī)的雙反應(yīng)理論，當(dāng)電機(jī)的交直軸坐標(biāo)系以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并且交軸超前直軸90°電角度?？傻玫接来磐诫姍C(jī)的轉(zhuǎn)矩公式[5]：

（1）

式中，p—永磁電機(jī)的極對(duì)數(shù)；ψf—磁鋼的永磁磁鏈；iq—交軸電流：id—直軸電流；Ld—直軸電感；Lq—交軸電感。

忽略溫度的影響，可將磁鋼的磁鏈ψf視為一個(gè)常量。對(duì)于表貼式永磁同步電機(jī)，交、直軸電感相等，此時(shí)只需控制交軸電流，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。而對(duì)于內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，其交、直軸電感不等，電機(jī)除具有永磁轉(zhuǎn)矩外，還具有磁阻轉(zhuǎn)矩。同時(shí)交、直軸電感受鐵芯飽和與諧波因素的影響，無(wú)法通過(guò)仿真手段準(zhǔn)確計(jì)算，所以內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的控制更加復(fù)雜[6]。

通過(guò)對(duì)以上內(nèi)容的分析，本文提出了新型的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，如圖2所示，該磁路結(jié)構(gòu)能夠滿足磁鋼在高速運(yùn)行和沖擊條件下的可靠性，同時(shí)使電機(jī)的交直軸電感設(shè)計(jì)值基本一致，因此該電機(jī)的控制方式與表貼式結(jié)構(gòu)基本相同，使電機(jī)控制更加簡(jiǎn)單。

本文提出的新型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，具有以下優(yōu)點(diǎn)。1）該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在直軸方向上設(shè)計(jì)有隔磁磁橋，增加了直軸電感。在交軸方向上開(kāi)孔，減小交軸電感。通過(guò)該設(shè)計(jì)使電機(jī)的交、直軸電感近似相等。從而具有與表貼式電機(jī)相似的特性。2）磁鋼內(nèi)置于轉(zhuǎn)子鐵芯磁鋼槽中，增加了轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度，使其與內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有相同的機(jī)械性能。3）通過(guò)調(diào)整磁鋼的布置方式，使采用平行充磁工藝的磁鋼具有近似徑向充磁的效果。4）該磁鋼結(jié)構(gòu)能夠有效利用轉(zhuǎn)子尺寸，具有聚磁效果，提高每極下的磁通量。5）該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能夠減小氣隙長(zhǎng)度，提高氣隙磁場(chǎng)，從而減少磁鋼等有效材料的用量，降低產(chǎn)品的成本。

2 電磁場(chǎng)有限元計(jì)算方法

本文在電機(jī)電磁方案計(jì)算中采用了二維平面電磁場(chǎng)時(shí)步有限元結(jié)合場(chǎng)路耦合的方法，采用該計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠考慮機(jī)械運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)體區(qū)域感應(yīng)渦流產(chǎn)生的集膚效應(yīng)以及繞組鄰近效應(yīng)的影響，通過(guò)合理的簡(jiǎn)化模型，可以獲得較高的計(jì)算精度和合理的計(jì)算時(shí)間[7]。

永磁同步電機(jī)電磁場(chǎng)時(shí)變問(wèn)題中的Maxwell方程組表達(dá)式為：

（2）

當(dāng)考慮到電機(jī)鐵芯的飽和因素，則非線性時(shí)變運(yùn)動(dòng)電磁場(chǎng)問(wèn)題的偏微分方程表達(dá)式[8]為：

（3）

式中：A—矢量磁位；Js—外部強(qiáng)加的源電流密度；v—媒質(zhì)的磁阻率；V—媒質(zhì)相對(duì)坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)速度；—媒質(zhì)的電導(dǎo)率。

3 電磁場(chǎng)仿真計(jì)算與分析

根據(jù)上述分析，針對(duì)以上轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)類型，本文建立了3種磁路結(jié)構(gòu)的模型，分別是表貼式、內(nèi)置式和本文提出的新磁路結(jié)構(gòu)。

該永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子槽數(shù)（36槽）及結(jié)構(gòu)尺寸相同。轉(zhuǎn)子采用不同的磁路結(jié)構(gòu)，即表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)、內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)和本文提出的新型磁路結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子極數(shù)為8極。

圖3、圖4和圖5分別為表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)、內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)（轉(zhuǎn)子磁路為一字型結(jié)構(gòu)）、以及本文提出的新型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。

建立有限元仿真模型后，將分別計(jì)算3種磁路結(jié)構(gòu)的空載反電動(dòng)勢(shì)波形，電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為1 000rpm，磁鋼溫度20℃。圖6、圖7和圖8分別是表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的空載反電動(dòng)勢(shì)波形、內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的空載反電動(dòng)勢(shì)波形和本文提出的新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的空載反電動(dòng)勢(shì)波形。endprint

通過(guò)對(duì)比圖6、圖7和圖8的有限元仿真計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)采用本文提出的新型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)時(shí)，電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)波形具有更高的正弦度，諧波含量最低，其諧波畸變率約為0.3%，遠(yuǎn)小于表貼式結(jié)構(gòu)的2.6%和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的1.1%。

在空載工況下，對(duì)3種磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的交直軸電感進(jìn)行有限元仿真分析，得到電機(jī)交、直軸電感隨時(shí)間的變化波形。計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10、圖11所示。

圖9為表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的交直軸電感仿真結(jié)果。由于表貼式電機(jī)的交直軸磁導(dǎo)近似相等，因此仿真曲線中交直軸電感相近，即電機(jī)的凸極率近似為1。由圖10可知，內(nèi)置式電機(jī)的交直軸電感相差較大，其凸極率約等于1.5。圖11為本文提出的新型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的電感仿真曲線，該結(jié)構(gòu)的凸極率約為1.06，十分接近表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的凸極率，所以該磁路結(jié)構(gòu)的控制方式與表貼式電機(jī)基本一致，使電機(jī)的控制方式更加簡(jiǎn)單。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文對(duì)新型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)制作了樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)波形以及電機(jī)線電感進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。圖12為新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)樣機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)波形。實(shí)測(cè)反電動(dòng)勢(shì)有效值與仿真計(jì)算值誤差2.6%，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

本文通過(guò)對(duì)新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)樣機(jī)電感測(cè)試，得到樣機(jī)線電感最大值約為105μH，線電感最小值約為90μH，因此其凸極率約為1.16，遠(yuǎn)低于內(nèi)置式電機(jī)的凸極率，與表貼式電機(jī)的凸極率接近。

5 結(jié)論

本文提出了一種新型永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，通過(guò)分析得出以下結(jié)論。1）本文提出的新型永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的高速運(yùn)行，提高了磁鋼在高速運(yùn)行和沖擊振動(dòng)下的安全性。2）通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)電機(jī)的交直軸磁路，使該電機(jī)的交直軸電感近似相等，凸極率接近1，與表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相同，因此可以使電機(jī)的控制更加簡(jiǎn)單和精確。3）通過(guò)優(yōu)化調(diào)整磁鋼的布置方式和角度，使采用平行充磁工藝的磁鋼具有近似徑向充磁的效果。使反電動(dòng)勢(shì)波形正弦性更好，減少諧波成分對(duì)電機(jī)性能的影響。4）由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)類似內(nèi)置式電機(jī)，轉(zhuǎn)子外圓光滑，能夠減小電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)的風(fēng)摩損耗，同時(shí)降低了電機(jī)噪音。

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