陸亞川　尹洋　譚澤鑫

【摘 要】三相永磁容錯(cuò)發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)原理，使發(fā)動(dòng)機(jī)本身受益于物理絕緣，隔熱和磁絕緣和電絕緣等能力。合理有效的電機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以在某些程度上使得發(fā)動(dòng)機(jī)的性能得到改善和提升。本篇文章顯示從永磁容錯(cuò)電機(jī)的基本設(shè)計(jì)原則入手，講述了其設(shè)計(jì)原則，接著講述了電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而其中又從設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容、電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)、磁極的尺寸設(shè)計(jì)和電機(jī)的槽型參數(shù)設(shè)計(jì)這四個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)的講解，最后對(duì)永磁容錯(cuò)電機(jī)進(jìn)行總結(jié)分析。

【關(guān)鍵詞】永磁容錯(cuò)電機(jī)；磁路設(shè)計(jì)；尺寸設(shè)計(jì)；槽型參數(shù)設(shè)計(jì)；

電機(jī)以及控制系統(tǒng)的故障主要由電機(jī)本身的繞組開路、相間開路故障、匝間短路以及功率變換電路的短路故障與功率變換電路的開路故障所造成的，因此我們需要從電機(jī)結(jié)構(gòu)以及電機(jī)控制系統(tǒng)這兩個(gè)方面進(jìn)行相關(guān)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)。我們知道，傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)兩者之間存在相互彌補(bǔ)的關(guān)系，因此我們需要把傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)三相永磁容錯(cuò)電機(jī)結(jié)構(gòu)的目的。

一、永磁容錯(cuò)電機(jī)設(shè)計(jì)的基本原則

可以看出，傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)在處于故障情況下由于受各項(xiàng)繞組間的相互作用而沒(méi)有扭矩輸出，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)受到繞組之間相互作用的影響，這極大地妨礙了發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。由此可知，傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)不具備在處于故障時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出功能，所以系統(tǒng)運(yùn)行的功能，穩(wěn)定性和穩(wěn)定性無(wú)法保證。為了解決這個(gè)問(wèn)題，這方面的研究者提出了設(shè)計(jì)一個(gè)容錯(cuò)永磁電動(dòng)機(jī)這樣一個(gè)設(shè)想，即永久磁鐵耐引擎基于一個(gè)永磁同步電機(jī)，并且所述凹槽的尺寸和繞組結(jié)構(gòu)被改變，從而來(lái)提供一個(gè)容錯(cuò)效果【1】。而為了實(shí)現(xiàn)永磁容錯(cuò)電機(jī)的容錯(cuò)性能，容錯(cuò)永磁電機(jī)可能會(huì)嘗試在兩個(gè)方面啟動(dòng)：在第一側(cè)，當(dāng)電機(jī)未能破壞正常相位時(shí)，必須最小化故障相的電機(jī)繞組。第二個(gè)方面，外殼設(shè)計(jì)用于即使在電機(jī)發(fā)生故障后也能確保穩(wěn)定運(yùn)行。上述的設(shè)計(jì)方案可以通過(guò)檢測(cè)錯(cuò)誤并及時(shí)采取糾正措施或通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)娜蒎e(cuò)控制策略來(lái)實(shí)施解決方案，從而達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。

二、三相永磁容錯(cuò)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）三相永磁容錯(cuò)電機(jī)主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容

雖然在設(shè)計(jì)方面，三相永磁容錯(cuò)電機(jī)與傳統(tǒng)的電機(jī)在很多方面存在著比較大的差異，但是三相永磁容錯(cuò)電機(jī)與傳統(tǒng)的電機(jī)仍然在一些基本的設(shè)計(jì)內(nèi)容上是有許多的相似性的，而永磁容錯(cuò)電機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容方面則需要對(duì)電機(jī)磁路設(shè)計(jì)、電機(jī)主要尺寸設(shè)計(jì)、電機(jī)槽型參數(shù)以及定轉(zhuǎn)子軛部參數(shù)等內(nèi)容方面進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析。【2】

（二）電機(jī)磁路設(shè)計(jì)

電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)，即對(duì)于所需求的磁場(chǎng)的實(shí)際要求來(lái)設(shè)計(jì)，也就是根據(jù)所需設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)的實(shí)際需求，對(duì)永磁體的材料、磁極的尺寸以及磁極的形狀進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的選擇，從而使永磁體的性能達(dá)到最大程度上的利用的效果，繼而使得磁路設(shè)計(jì)的合理性以及磁路設(shè)計(jì)的優(yōu)質(zhì)性得到最大程度上的實(shí)現(xiàn)，而其中關(guān)于永磁體材料的選擇：根據(jù)永磁體材料的選擇原則，將不同的永磁材料的性能參數(shù)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的對(duì)比、分析，比如永磁體材料為粘結(jié)式衫鈷永磁材料，該材料具有較強(qiáng)的抗退磁能力，而且可以得到較大的電機(jī)功率密度，除此之外，粘結(jié)式衫鈷永磁材料的最大使用溫度為350攝氏度，因此可以很好的滿足設(shè)計(jì)中對(duì)電機(jī)相對(duì)應(yīng)的需求；在磁極性狀的確定方面：永磁電機(jī)的磁極與電勵(lì)磁電機(jī)的磁極是不相同的，永磁電機(jī)的磁極是永磁體，其磁路的形式多種多樣，根據(jù)永磁體的位置、永磁體安置的方式、永磁材料的種類以及永磁體的形狀等，可以將磁路分為很多種，例如根據(jù)安置方式的不同我們可以進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的分類，將其分為內(nèi)置式和表貼式兩類，而根據(jù)永磁體的形狀的不同可以分為環(huán)形磁極、爪形磁極、弧形磁極以及瓦片形磁極等類別，其中瓦片形磁極又由同心瓦片形磁極和等半徑瓦片形磁極這兩部分組合而成，等半徑瓦片形磁極同時(shí)可以稱之為離心式磁極。表貼式磁極具有可以增強(qiáng)繞組間的磁隔離能力，等半徑瓦片形磁極具有可以在很大程度上提高材料的利用率的優(yōu)點(diǎn)，所以我們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的需求選擇合理有效的永磁體。

（三）磁極的尺寸設(shè)計(jì)

永磁體磁化方向的寬度以及永磁體磁化方向的長(zhǎng)度就是永磁體的主要的尺寸參數(shù)，在對(duì)永磁體磁化方向的寬度以及永磁體磁化方向的長(zhǎng)度進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)時(shí)我們需要考慮以下的一些因素：第一個(gè)因素是永磁體磁化方向的長(zhǎng)度不可以過(guò)于小，否則這樣不僅會(huì)增加永磁體的生產(chǎn)成本，而且還會(huì)造成永磁體極易退磁；在第二個(gè)因素則是對(duì)永磁體磁化方向的長(zhǎng)度進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要盡最大可能使永磁體工作于最佳狀態(tài)，這是因?yàn)樵诤艽蟪潭壬嫌来朋w的工作點(diǎn)是由自身的磁化方向長(zhǎng)度所決定的；第三個(gè)因素則是由于永磁體的磁化方向?qū)挾扰c永磁體提供的磁通的面積是緊密相連的，所以在對(duì)永磁體磁化方向?qū)挾冗M(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)電機(jī)性能的要求對(duì)永磁體的磁化方向?qū)挾冗M(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整措施?！?】

（四）電機(jī)槽型參數(shù)設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)槽型的參數(shù)主要包括固定齒寬，孔寬度，槽的深度和孔的厚度。其中，就定子齒參數(shù)固定部分而言，定義了定子齒的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度。通常，該值的取值范圍在1.4T和1.6T之間，然后在需要相關(guān)得到公式中替換定子齒的最大磁密度從而來(lái)確定定子齒寬。通常，固定定子齒的高度是固定定子齒寬度的1.5至3倍不等。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，孔中的電流密度可用于連續(xù)地驗(yàn)證定子齒的高度和定子齒的固定寬度之間的多重性。兩者之間連續(xù)多元驗(yàn)證核實(shí)的目的是，如果倍數(shù)太大，則定子軛部的恒定飽和度極有可能是飽和的，進(jìn)而造成電磁轉(zhuǎn)矩的減小。相反，如果倍數(shù)太小，那么繞組電流的電流密度就有可能超過(guò)安全值。因此，在三相永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，損壞的安全電流密度值與電機(jī)的冷卻位置密切相關(guān)。因此，必須根據(jù)三級(jí)永久電阻的實(shí)際冷卻方法對(duì)繞組的實(shí)際安全電流密度取值進(jìn)行針對(duì)性的選擇，從而確定線圈的實(shí)際電流。

根據(jù)已經(jīng)確定的基本電磁參數(shù)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)，繼而使電機(jī)的永磁體尺寸、槽繞組參數(shù)以及定轉(zhuǎn)子尺寸等得以確定，在完成設(shè)計(jì)電機(jī)之后，再利用有限元軟件進(jìn)行仿真，而仿真則從磁力線的分布、磁密的分布、繞組的電感、齒槽的轉(zhuǎn)矩以及空載反電動(dòng)勢(shì)波形等方面進(jìn)行，從而對(duì)達(dá)到對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性、有效性的驗(yàn)證目的?！?】

三、小結(jié)

永磁容錯(cuò)電機(jī)的控制比較復(fù)雜，對(duì)數(shù)字處理器的需求也很高。所以永磁容錯(cuò)電機(jī)不僅具有相較于永磁同步電機(jī)功率密度大，以及效率較高的優(yōu)點(diǎn)，而且具有很強(qiáng)的磁隔離和抑制短路電流的能力，同時(shí)它還具有比較高的容錯(cuò)特性和可靠性質(zhì)。不僅如此，它的系統(tǒng)的體積還很小，功率密度很高，而且容易實(shí)現(xiàn)模塊化。在永磁容錯(cuò)電機(jī)的雙余度驅(qū)動(dòng)技術(shù)融合容錯(cuò)與余度的基礎(chǔ)上，比較容易實(shí)現(xiàn)。所以越來(lái)越多的人員開始對(duì)永磁容錯(cuò)電機(jī)進(jìn)行相關(guān)的研究，而且永磁容錯(cuò)電機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)更促進(jìn)其容錯(cuò)性能，因此對(duì)三相永磁容錯(cuò)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析具有十分重要的意義?！?】 同時(shí)也可以預(yù)見，在永磁容錯(cuò)電機(jī)的結(jié)構(gòu)分析方面的前景將會(huì)是非常的廣闊。

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（作者單位：成都市西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）