李權(quán)鋒 陳 彬,2 肖 勇

（1. 珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070；2. 空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室 珠海 519070）

引言

近年來，稀土釹鐵硼永磁同步電機（PMSM）在空調(diào)壓縮機電機應(yīng)用地越來越廣泛，一方面增加了稀土資源的使用量，另一方面增加了電機的成本。交替極永磁同步電機（CP-PMSM）僅具有常規(guī)永磁同步電機一半數(shù)量的永磁體，可以顯著降低永磁體使用量,如圖1所示。交替極電機所有永磁體的充磁方向一致，比如N極性充磁，兩塊N極性充磁永磁體之間的軟磁材料會被相鄰的永磁極磁化成S極，稱為交替極。

文獻[1]中研究了交替極電機的反電勢特性，指出交替極轉(zhuǎn)子磁場中存在常規(guī)電機不存在的偶數(shù)次諧波，采用槽數(shù)為6P的槽極配合可以有效消除偶數(shù)次諧波，而常用的槽數(shù)3P槽極配合則無法消除。文獻[2]對比了用于大巴驅(qū)動的傳統(tǒng)永磁同步電機與交替極永磁同步電機，指出交替極電機額定工作狀態(tài)下具有較大的輸出轉(zhuǎn)矩，并且可以節(jié)省18.5 %的永磁體使用量，具有較小的轉(zhuǎn)矩波動與齒槽轉(zhuǎn)矩，并且具有較大的調(diào)速范圍，但是其過載能力較差。文獻[3]通過設(shè)置轉(zhuǎn)子分段斜極優(yōu)化一款應(yīng)用于壓縮機中的9槽6極集中卷交替極電機的轉(zhuǎn)矩波動，起到了一定的效果，但是轉(zhuǎn)子分段會會引起轉(zhuǎn)矩的進一步下降。文獻[4]中通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子的磁極形狀，提升交替極懸浮電機的轉(zhuǎn)矩能力，降低轉(zhuǎn)矩波動。文獻[5]通過槽極配合以及極弧系數(shù)優(yōu)化交替極電機的轉(zhuǎn)矩波動。

從研究現(xiàn)狀看，交替極電機的轉(zhuǎn)矩能力、轉(zhuǎn)矩波動是研究的熱點，分段斜極、磁極形狀優(yōu)化等措施被采用，從常規(guī)電機的設(shè)計角度看，轉(zhuǎn)矩能力與轉(zhuǎn)矩波動存在一定的負相關(guān)關(guān)系，但是這些優(yōu)化手段往往只能針對某一個目標進行優(yōu)化，例如分段斜極、磁極形狀優(yōu)化會降低電機的輸出轉(zhuǎn)矩。另一方面，關(guān)于一些關(guān)鍵參數(shù)比如永磁體、磁束整理槽等對交替極電機性能的影響的詳細分析未見報道，而這些特征對于優(yōu)化設(shè)計前期基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇非常重要。

為了考察交替極電機基本電磁特性及開發(fā)出適用于壓縮機運行狀況的高性能、少磁鋼電機，本文利用有限元分析法，首先分析了交替極電機的運行原理，指出了其與常規(guī)電機的結(jié)構(gòu)差異，并且分析了由結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的優(yōu)缺點。而后通過有限元分析，探討了交替極電機模型中四個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對其性能的影響，結(jié)果表明，不同的結(jié)構(gòu)對電機性能的影響存在著明顯的優(yōu)先級，在電機優(yōu)化過程中應(yīng)有所側(cè)重。

1 交替極電機運行原理及優(yōu)缺點分析

如圖2所示為交替極電機基本特性分析的有限元分析模型，為了提高優(yōu)化效率，僅分析了1/3模型。從其磁力線分布可以看到，由永磁體發(fā)出的磁力線在永磁體的一側(cè)直接進入氣隙，與定子繞組匝鏈。另一方面通過相鄰的鐵芯極即交替極傳到氣隙與繞組匝鏈，這與常規(guī)電機磁力線的分布一致。

其主要優(yōu)點有兩點：

1）主磁路的磁阻上減少了永磁體槽、永磁體引入的磁阻，有效的磁動勢更高，永磁體的利用率更高，所以可以用較少的永磁體產(chǎn)生與常規(guī)永磁電機相同的氣隙磁密。

2）可以減小電機的尺寸。交替極電機采用的永磁體比傳統(tǒng)的無刷電機更厚。在這種情況下，就可以在這種電機上使用高剩磁、高牌號的磁鋼，因為組成漏磁回路的磁鋼的厚度很厚，所以沒有退磁的風險，這讓永磁體的工作點更高。但是對于傳統(tǒng)的永磁電機不能用高牌號、高剩磁的磁鋼，因為組成漏磁回路的永磁體比較薄，這就造成了工作點很低并且伴隨有退磁的風險。所以使用高牌號的磁鋼，可以縮小這種電機的尺寸，這比傳統(tǒng)的電機更有優(yōu)勢。

正是因為這種結(jié)構(gòu)特點，其缺陷也很明顯，即相鄰磁極下的氣隙磁密嚴重不對稱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動較大，隨之而來的是振動、噪聲等問題。圖3顯示的是交替極電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，圖4顯示的是常規(guī)結(jié)構(gòu)電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，雖然此時常規(guī)電機的氣隙磁密較大，但是交替極電機的齒槽轉(zhuǎn)矩卻是常規(guī)電機的3.8倍之多，并且齒槽轉(zhuǎn)矩相鄰的波峰值明顯不對稱。對于這種特殊結(jié)構(gòu)的電機，若要改善轉(zhuǎn)矩波動，首先相鄰磁極下的氣隙磁場要盡量對稱，之后可以按照常規(guī)思路去降低氣隙磁場諧波含量。

圖1 常規(guī)電機與交替極電機的結(jié)構(gòu)對比

圖2 交替極電機有限元分析模型

2 交替極電機關(guān)鍵尺寸參數(shù)分析

為了更好地設(shè)計交替極電機，這里分析了4個電機結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)對電機性能的影響。

圖3 交替極電機齒槽轉(zhuǎn)矩

圖4 常規(guī)永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩

圖5 常規(guī)電機極間隔磁槽

圖6 常規(guī)電機的轉(zhuǎn)矩曲線

2.1 極間隔磁槽

極間隔磁槽主要起到兩方面的作用，一方面在永磁體端部附近形成狹長的磁路，減少永磁體端部以及極間的漏磁，提高永磁體利用率。另一方面主要是改變電機極間的結(jié)構(gòu)，因為極間位置是電機q軸磁路很重要的一部分，通過改變這里的結(jié)構(gòu)改變q軸特性，從而改變電機的磁阻轉(zhuǎn)矩等。

常規(guī)的永磁電機相鄰磁極間的隔磁孔如圖5所示，其中相鄰磁極分界線兩側(cè)的夾角a=b，相鄰磁極下的氣隙磁密波形對稱，這可以從轉(zhuǎn)矩波形看出，如圖6所示，為常規(guī)電機一個電周期的轉(zhuǎn)矩波形，相鄰的兩個波峰是一致的。

而對于交替極電機，極間隔磁孔示意圖如圖7所示。假設(shè)此時仍然保持a=b，那么相鄰的磁極下的氣隙磁密會非常不對稱，這一點從轉(zhuǎn)矩波形可以看出，如圖8，相鄰的波峰差別很大。

為了探討極間隔磁孔形狀、尺寸對交替極電機性能的影響，并且由于交替極電機相鄰的磁極結(jié)構(gòu)是不對稱的，所以調(diào)整a、b兩個角度的關(guān)系，使之成為不對稱的隔磁孔，以改善相鄰磁極下的磁密波形，改善轉(zhuǎn)矩脈動。這里將b角度參數(shù)化，掃描其對電機各項性能的影響，如圖9～11所示。

圖7 交替極電機的極間隔磁槽

圖8 交替極電機的轉(zhuǎn)矩曲線

圖9 參數(shù)b對轉(zhuǎn)矩波動的影響

圖10 參數(shù)b對反電勢諧波畸變率（THD）的影響

圖11 參數(shù)b對電機效率的影響

結(jié)果顯示，b在30 °的時候轉(zhuǎn)矩波動最小。但是隨著b的增大效率呈逐步上升的趨勢，分析數(shù)據(jù)認為，這是由于b的增大，聚磁增強，出力逐漸增大，同時由于氣隙磁密波形的改善，鐵損有降低，所以導(dǎo)致效率逐步上升?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)矩波動最小的時候性能并不是最佳。而b究竟選取什么尺寸，需要根據(jù)實際應(yīng)用場合判斷電機更側(cè)重效率或者轉(zhuǎn)矩波動，并且應(yīng)該結(jié)合反電勢諧波畸變率（THD）的優(yōu)劣，THD除影響轉(zhuǎn)矩波動外，還影響定轉(zhuǎn)子鐵芯部分的損耗。

2.2 永磁體厚度

永磁體價格相對于電機中的其他部分，比如硅鋼片、銅線更貴，對電機的性能影響也更直接，因此合理的永磁體尺寸對于提高永磁體利用率、優(yōu)化電機性能十分重要。長方形永磁體的關(guān)鍵尺寸有兩個：寬度與厚度。寬度主要影響電機的轉(zhuǎn)矩，在電機尺寸基本確定的前提下，永磁電機的功率等級基本也就確定了，此時永磁體的寬度區(qū)別較小。而永磁體厚度不但影響電機的出力，更影響電機的可靠性，即抗退磁性能，將永磁體的厚度參數(shù)化，考察期對電機轉(zhuǎn)矩波動、效率與抗退磁性能的影響，掃描的結(jié)果如圖12～14所示。

可以看出，由于永磁體厚度方向的增加，電機空載時永磁體的工作點會上升，效率會有一個明顯的上升，并且由于隔磁橋的飽和度增加，漏磁也會減少，此外，抗退磁能力也有明顯的上升。轉(zhuǎn)矩波動受永磁體厚度的影響較小，雖然會有略微的增加，但是基本保持在28 %不變，根據(jù)其這種特點，可以在優(yōu)化完其他尺寸后單獨設(shè)計?？筛鶕?jù)幾種考察的性能綜合選定一個厚度值。

2.3 轉(zhuǎn)子外圓偏心距

轉(zhuǎn)子外圓偏心距，顧名思義，即轉(zhuǎn)子的外圓是由幾段不同心的圓弧組成的。偏心距的的增大會導(dǎo)致氣隙的變大，導(dǎo)致電機的氣隙磁密，尤其是諧波磁密的大量減少，從而優(yōu)化氣隙磁密的波形，但是基波含量的減少也會使出力略微降低。將轉(zhuǎn)子外圓偏心距參數(shù)化，考察其對轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)矩波動的影響。

圖12 轉(zhuǎn)矩波動隨永磁體厚度變化曲線

圖13 效率隨永磁體厚度變化曲線

圖14 退磁率隨永磁體厚度變化曲線

圖15 轉(zhuǎn)矩波動隨轉(zhuǎn)子外圓偏心距變化曲線

圖16 轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子外圓偏心距變化曲線

尺寸掃描的結(jié)果如圖15、16所示。和預(yù)期的一樣，隨著偏心距的增加，轉(zhuǎn)矩波動大幅降低，轉(zhuǎn)矩也大幅降低。而交替極電機一個優(yōu)點就是永磁體用量相比于常規(guī)電機會大幅減少，所以，出力減小不利于這種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的發(fā)揮，這和削減轉(zhuǎn)矩波動是矛盾的。因此，采用增加轉(zhuǎn)子外圓偏心距的方式削弱轉(zhuǎn)矩波動對于常規(guī)電機而言是可以接受的，但是對于交替極電機來說是不適合的。

2.4 極靴磁束整理槽

極靴磁束整理槽，即設(shè)置在永磁轉(zhuǎn)子磁極極靴部分的空氣槽，用來整理永磁體發(fā)出的磁力線。如果是設(shè)置在永磁體的兩端，除了整理磁力線以外，還能通過形成狹長、易飽和的磁橋，減少永磁體端部的漏磁，另一方面可以增強聚磁能力，提升電機的電磁轉(zhuǎn)矩，調(diào)整極弧系數(shù)，優(yōu)化轉(zhuǎn)矩波動，如圖17所示。將磁束整理槽的寬度w參數(shù)化，考察其對電機各項性能的影響。

掃描結(jié)果如圖18、19所示。理論上極弧系數(shù)越接近1轉(zhuǎn)矩波動越小，w增加轉(zhuǎn)矩波動應(yīng)該增加，但是從曲線上看是先減后增，似乎與理論不符，此過程中考察了反電勢諧波畸變率THD，該曲線的趨勢與轉(zhuǎn)矩波動趨勢基本一致，可以認為在w增加的過程中是氣隙諧波的諧波含量起到了主要的作用。掃描過程中還發(fā)現(xiàn)，隨著w的增加，聚磁逐漸增強，電磁轉(zhuǎn)矩先增后減，效率趨勢同樣是先增后減，所以和轉(zhuǎn)矩波動三者在2.2 mm左右均達到最佳值。

圖17 極靴磁束整理槽示意

圖18 轉(zhuǎn)矩波動隨極靴磁束整理槽寬度變化曲線

圖19 反電勢諧波畸變率隨極靴磁束整理槽寬度變化曲線

3 結(jié)語

本文分析了交替極電機的運行原理，指出了其與常規(guī)電機的結(jié)構(gòu)差異，并且分析了由其導(dǎo)致的優(yōu)缺點。仿真分析了一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括不對稱極間磁束整理槽、永磁體厚度、轉(zhuǎn)子外圓偏心距、極靴磁束整理槽對其性能的影響。在分析的過程中可以發(fā)現(xiàn)，考察的兩個主要參數(shù)轉(zhuǎn)矩波動與電機效率之間存在著矛盾，只能根據(jù)實際需求有所側(cè)重地去選擇各自對應(yīng)的合適尺寸?？梢灶A(yù)見，通過合理的優(yōu)化設(shè)計可以讓這種結(jié)構(gòu)電機降成本、縮減體積的優(yōu)勢發(fā)揮出來，因此交替極電機在壓縮機驅(qū)動領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。