周明

摘 要：近年來(lái)永磁電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)、航天領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)性能就顯得更為重要，本文從優(yōu)化永磁電動(dòng)機(jī)的性能的目標(biāo)出發(fā)，對(duì)降低齒槽轉(zhuǎn)矩、進(jìn)行了探索。

關(guān)鍵詞：永磁電機(jī)；轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；齒槽轉(zhuǎn)矩

中圖分類(lèi)號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）21-0072-02

近年來(lái)，由于永磁電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的繞組電機(jī)相比具有體積小、重量輕、高效率、功率密度大等優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)汽車(chē)、航天工業(yè)、機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如何通過(guò)優(yōu)化電機(jī)的設(shè)計(jì)，提高電機(jī)的性能就顯得尤為重要。本文首先從永磁電機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)出發(fā)，介紹電機(jī)的基本類(lèi)型、永磁體材料的性能指標(biāo)等內(nèi)容，隨后就電機(jī)設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)問(wèn)題，如電機(jī)的損耗、永磁體的布置、減少齒槽扭矩和優(yōu)化電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能展開(kāi)探索。

1 常見(jiàn)的電機(jī)類(lèi)型

對(duì)于電機(jī)的類(lèi)型而言，本文將分析幾種電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)：包括直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，同時(shí)將對(duì)比永磁電機(jī)和非永磁電機(jī)（繞組電機(jī)）來(lái)突出永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。

（1）直流電機(jī)：最大的優(yōu)勢(shì)就是容易控制，這是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的勵(lì)磁和電樞電流都是線性的，因此，通過(guò)控制直流電機(jī)的勵(lì)磁和電樞電流，就可以控制電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速。（2）感應(yīng)電機(jī)：可靠性最好，尤其是鼠籠型的感應(yīng)電機(jī)，同時(shí)與其他類(lèi)型的電機(jī)比起來(lái)，感應(yīng)電機(jī)的造價(jià)較低；由于不需要電刷，感應(yīng)電機(jī)幾乎不需要維護(hù)；然而感應(yīng)電機(jī)的控制確并非易事，同時(shí)電機(jī)的損耗較高、功率因數(shù)也不理想。（3）開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于轉(zhuǎn)子內(nèi)沒(méi)有繞組，所以可以適合在工況較高的溫度下運(yùn)行；同時(shí)其轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速的特性也較其他電機(jī)更為理想；同時(shí)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的造價(jià)也較為低廉。但是由于需要額外的轉(zhuǎn)子位置傳感器來(lái)輔助換向，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制較為復(fù)雜，電機(jī)的體積也隨之增大，外加上噪音和振動(dòng)較大，因此開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用也受到限制。（4）永磁無(wú)刷電機(jī)：應(yīng)用了電力電子逆變器來(lái)替代傳統(tǒng)的電刷，因此它克服了傳統(tǒng)電機(jī)因電刷磨損而需要經(jīng)常維護(hù)的問(wèn)題，可靠性得到了很大的提高。由于功率密度大、電機(jī)效率高、體積較小、重量較輕等一系列優(yōu)點(diǎn)，永磁無(wú)刷電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)上應(yīng)用的越來(lái)越廣泛。然而由于使用了永磁體材料，永磁電機(jī)的造價(jià)較高；同時(shí)在高溫等極端情況下，永磁體還面臨著退磁等風(fēng)險(xiǎn)。

2 永磁材料的性能指標(biāo)

永磁材料近些年來(lái)被廣泛應(yīng)用，除了在永磁電機(jī)上使用以外，還應(yīng)用于智能手機(jī)、收音機(jī)、電視等。永磁體的性能可以從如下幾個(gè)方面來(lái)反映：

（1）矯頑力：是指為使永磁體材料的磁場(chǎng)退化為0，而需要是加的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度，換句話來(lái)說(shuō)，矯頑力的大小代表著永磁體材料退磁的難易程度。（2）剩余磁通密度：又稱(chēng)為剩磁，是指永磁體在外加磁場(chǎng)消失后，所保留的磁場(chǎng)強(qiáng)度。（3）居里溫度：是指磁性材料中自發(fā)磁化強(qiáng)度降到零時(shí)的溫度。磁滯洄線代表了永磁體材料的的特點(diǎn)通過(guò)描述磁通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。

3 常見(jiàn)的永磁材料

在電機(jī)的設(shè)計(jì)中，高性能的永磁體材料例如鐵磁、稀土永磁材料的應(yīng)用最為廣泛。鐵磁材料最大的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)較低，同時(shí)在低頻工況下渦流的損失也可忽略不計(jì)。然而，鐵磁材料的能量密度低，因此，它通常應(yīng)用于對(duì)成本控制要求較高的領(lǐng)域。

（1）稀土永磁材料的性能較好，但造價(jià)同樣較高。釤鈷（SmCo5）最早于1970年被生產(chǎn)出來(lái)，這種稀土永磁材料最大的優(yōu)點(diǎn)是能量密度高（4倍于鐵磁材料）、能夠在較高的溫度下使用，缺點(diǎn)是造價(jià)昂貴。釹鐵硼較釤鈷有著更高的能量密度，同時(shí)造價(jià)相對(duì)較低，然而這種材料的居里溫度較低，因此不適用于溫度較高場(chǎng)合的應(yīng)用。（2）軟磁材料通常被應(yīng)用于那些磁通密度隨時(shí)間變換的領(lǐng)域，例如電磁起重機(jī)。當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，軟磁材料的磁通密度很容易改變，因此這種材料的磁滯回線較窄。由于軟磁材料的電阻較小，當(dāng)頻繁改變磁通密度時(shí)，產(chǎn)生的渦流很大，因此它通常造成疊片結(jié)構(gòu)，以增大電阻減少渦流。

4 永磁體的布置

在永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中，永磁體被設(shè)計(jì)布置在不同的位置以滿足不同的應(yīng)用需求，本文簡(jiǎn)述了兩種永磁體的布置方式，如圖1，圖2所示。

第一種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，永磁體被用碳纖維或玻璃纖維固定在轉(zhuǎn)子的表面，因此，這種結(jié)構(gòu)制造起來(lái)較為方便，但是在大轉(zhuǎn)矩和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況下，永磁體有脫落的風(fēng)險(xiǎn)，因此這種結(jié)構(gòu)在上述情況下應(yīng)用受限較多。同時(shí)，由于需要將永磁體加工成帶弧度的形狀，這也造成了電機(jī)制造成本的增加（帶弧度的永磁體比平整的永磁體更難加工，因此成本也更高昂）。第二種布置方式永磁體被嵌入在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，因此永磁體可以被很好的保護(hù)從而以避免退磁，另外一個(gè)好處是由于同時(shí)產(chǎn)生了磁阻轉(zhuǎn)矩，這種布置方式的扭矩密度更大。同時(shí)這種布置方式可以使用平整的永磁體，因而降低了制造成本。但是由于永磁體被嵌入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的漏磁通較高。

5 優(yōu)化電極和槽的匹配

在永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)中，選擇合適的電極和槽的數(shù)量對(duì)于電機(jī)的性能來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，它能夠減少齒槽轉(zhuǎn)矩、降低諧波，減少噪聲和振動(dòng)。在永磁電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由于磁場(chǎng)的存在，永磁體總是傾向于和電機(jī)的齒對(duì)齊，這將產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，我們稱(chēng)之為齒槽轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的輸出造成了干擾，同時(shí)產(chǎn)生了噪聲和振動(dòng)。在永磁電機(jī)的研究中，減小齒槽轉(zhuǎn)矩是一個(gè)重要的的課題。一種常用的方式是在制造時(shí)將永磁體和電機(jī)的齒都傾斜一定的角度，但這樣將造成制造成本的增加，同時(shí)產(chǎn)生了新的扭矩?cái)_動(dòng)-換向轉(zhuǎn)矩；另外一種方式是合理的匹配電機(jī)的極數(shù)和槽數(shù)。研究表明這種方式將大大降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

6 降低電機(jī)的損耗

永磁電機(jī)的損耗可以分為三類(lèi)：銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗。銅耗是由定子繞組線圈的電阻產(chǎn)生，它也是電機(jī)主要的損耗之一；因此，電機(jī)功率負(fù)載的增加也主要受制于銅耗；鐵耗是由定子中的渦流產(chǎn)生，通常通過(guò)采用疊片結(jié)構(gòu)的定子可以有效的降低鐵耗。對(duì)高轉(zhuǎn)速的永磁電機(jī)來(lái)說(shuō)，永磁體中由定子產(chǎn)生的渦流可能導(dǎo)致永磁體溫度的升高，進(jìn)而引發(fā)退磁的風(fēng)險(xiǎn)，因此設(shè)法降低此類(lèi)現(xiàn)象的發(fā)生是一個(gè)必要的問(wèn)題；一種有效的方式是將永磁體分段，由此可以使定子的電流更加趨向于正弦曲線，降低諧波進(jìn)而降低渦流。

7 優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通常代表著改變電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度的困難程度。在例如電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用等許多日常實(shí)踐中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能就越高。電機(jī)的性能系數(shù)（PR），反映了電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的關(guān)系，也被稱(chēng)為“轉(zhuǎn)矩-慣性比”，可以用如下公式來(lái)定義：

PR=（Torque（mean）-11000*inertia）

PR：電機(jī)的性能系數(shù)；Torque（mean）：電機(jī)的平均扭矩；Inertia：電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性。

通過(guò)上述公式可以看出，要提高電機(jī)的性能，就要盡可能優(yōu)化電機(jī)的性能系數(shù)，即提高扭矩，減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

由于轉(zhuǎn)矩的大小取決于電樞電流，我們通常采用增加電樞電流來(lái)增加轉(zhuǎn)矩。降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方式有很多，其中一種方法是通過(guò)降低轉(zhuǎn)子的直徑（直徑越大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大），或者減小轉(zhuǎn)子的質(zhì)量；我們可以通過(guò)將轉(zhuǎn)子內(nèi)部做成鏤空式來(lái)達(dá)到上述目的，如圖3所示。

8 結(jié)語(yǔ)

永磁電機(jī)較傳統(tǒng)的繞組電機(jī)有著高可靠性、高效率和高功率等優(yōu)點(diǎn)，但是由于使用了昂貴的稀土材料它的造價(jià)也較傳統(tǒng)的電機(jī)高昂，永磁體內(nèi)嵌式永磁電機(jī)較永磁體表面布置式永磁電機(jī)更適合于高轉(zhuǎn)速的工況，同時(shí)其制造成本也更加經(jīng)濟(jì)；通過(guò)合理的選擇電機(jī)和槽能夠有效的降低齒槽轉(zhuǎn)矩、諧波和噪聲；通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)，電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能能夠得到進(jìn)一步的提升。endprint