占鈺濤，周 勇，戴文星，孫海文

應(yīng)用研究

基于2D仿真模型內(nèi)置式永磁電機(jī)的漏磁系數(shù)研究

占鈺濤，周 勇，戴文星，孫海文

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文建立了豐田Prius內(nèi)置式永磁電機(jī)的二維仿真模型。采用磁路積分法，計(jì)算得到永磁體的漏磁系數(shù)。并且分析了不同電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)漏磁系數(shù)的影響。結(jié)果表明，減小氣隙磁密、增大電機(jī)定子外徑和提升永磁體厚度可以降低永磁體漏磁，提升永磁體利用率。

永磁同步電機(jī) 漏磁系數(shù) 二維仿真模型

0 引言

內(nèi)置式永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械強(qiáng)度高、控制容易等優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)汽車(chē)、輪船推進(jìn)等領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用。相對(duì)于表貼式永磁電機(jī)，內(nèi)置式永磁電機(jī)的永磁體距離定子齒部的距離更大，漏磁磁路更多，因而漏磁也更大。進(jìn)行內(nèi)置式永磁電機(jī)的漏磁系數(shù)分析研究，對(duì)提高永磁體利用率，提升經(jīng)濟(jì)效益，降低資源浪費(fèi)具有現(xiàn)實(shí)意義。

文獻(xiàn)[1]提出了“一”型磁鋼空載漏磁系數(shù)較準(zhǔn)確的路算方法。文獻(xiàn)[2]簡(jiǎn)述了三種計(jì)算永磁電機(jī)漏磁系數(shù)的方法，但未對(duì)方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行進(jìn)一步分析。文獻(xiàn)[3]研究了不同隔磁措施對(duì)切向永磁同步電機(jī)軸部漏磁的影響。文獻(xiàn)[4]對(duì)漏磁系數(shù)的計(jì)算方法和準(zhǔn)確性進(jìn)行了充分的闡述。目前對(duì)內(nèi)置式永磁電機(jī)漏磁系數(shù)影響的研究較少，且大都集中在對(duì)永磁體本身結(jié)構(gòu)的研究。本文以豐田Prius電機(jī)作文研究對(duì)象，研究了電機(jī)外徑、氣隙長(zhǎng)度和永磁體厚度等參數(shù)對(duì)永磁體漏磁系數(shù)的影響，對(duì)內(nèi)置式永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 漏磁仿真模型建立

本文以豐田Prius內(nèi)置式永磁電機(jī)作為研究對(duì)象，基本參數(shù)額定轉(zhuǎn)矩240 Nm，額定轉(zhuǎn)速3000 r/min，電機(jī)相數(shù)3，定子外徑269.2，定子內(nèi)徑161.9，槽數(shù)44，轉(zhuǎn)子外徑160.4，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑110.6，極對(duì)數(shù)4，鐵心長(zhǎng)83.8 mm，氣隙長(zhǎng)度0.75 mm。

圖1 豐田Prius電機(jī)仿真模型

采用磁密積分法，漏磁系數(shù)可表示為：

對(duì)于此二維模型，漏磁系數(shù)可表示為：

圖2 主磁通和總磁通示意圖

所建立的豐田Prius電機(jī)的二維Ansoft仿真模型如圖1所示。此二維分析模型的準(zhǔn)確性已在文獻(xiàn)[4]中得到證明。

圖3 總磁通示意圖

圖4 主磁通Bm示意圖

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)漏磁系數(shù)的影響

2.1 氣隙長(zhǎng)度對(duì)漏磁系數(shù)的影響

改變氣隙的長(zhǎng)度，提取不同長(zhǎng)度下的主磁密和總磁密波形，再依據(jù)式（2），計(jì)算得到漏磁系數(shù)關(guān)于氣隙長(zhǎng)度的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 漏磁系數(shù)隨氣隙長(zhǎng)度變化規(guī)律

由圖5可知，隨著氣隙長(zhǎng)度的增加，氣隙位置的磁阻增大，氣隙中的漏磁成分提升，從而漏磁系數(shù)呈現(xiàn)一直上升的趨勢(shì)，即永磁體的漏磁不斷提升，永磁體利用率不斷下降。

2.2 定子外徑對(duì)漏磁系數(shù)的影響

在原模型的基礎(chǔ)上，改變定子鐵心外徑，分析得到不同定子外徑下永磁體的漏磁系數(shù)變化趨勢(shì)，如圖6所示。

圖6 漏磁系數(shù)隨定子外徑變化規(guī)律

根據(jù)分析結(jié)果可知，隨著定子鐵心外徑的增大，漏磁系數(shù)在一開(kāi)始呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)，但很快趨于穩(wěn)定。因此，可以選擇曲線的拐點(diǎn)作為定子外徑的尺寸，這樣可以在保證永磁體利用率的情況下，避免硅鋼片的浪費(fèi)。

2.3 永磁體厚度對(duì)漏磁系數(shù)的影響

為研究永磁體厚度對(duì)漏磁系數(shù)的影響，計(jì)算得到漏磁系數(shù)隨永磁體厚度變化的曲線，如圖7所示。

圖7 漏磁系數(shù)隨永磁體厚度變化規(guī)律

隨著永磁體厚度的提升，總磁通不斷增大，主磁通和漏磁通也隨之增大。但漏磁系數(shù)卻呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，即增大永磁體的厚度可以提升永磁體的利用率。在電機(jī)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，在保證主磁通不變的情況下，可以適當(dāng)降低永磁體寬度，增加永磁體厚度，來(lái)提升永磁體的利用率。

3 結(jié)論

本文以豐田Prius電機(jī)作為研究對(duì)象，采用磁密積分法，提取了電機(jī)主磁通和總磁通，并對(duì)不同電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)漏磁系數(shù)的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，可以采取適當(dāng)減小氣隙磁密、增大電機(jī)定子外徑和提升永磁體厚度的方法來(lái)降低永磁體漏磁。對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中減少資源浪費(fèi)、提升經(jīng)濟(jì)效益具有指導(dǎo)意義。

[1] 孫程英, 劉明基, 羅應(yīng)立. 切向式永磁同步電機(jī)不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的軸部漏磁分析[J]. 微特電機(jī), 2010, 38(02): 27-29.

[2] 陳彬, 胡余生, 陳東鎖, 孫文嬌, 吳雨順. 永磁同步電機(jī)漏磁系數(shù)計(jì)算方法研究[J]. 科技創(chuàng)業(yè)家, 2013(07): 82+84.

[3] 公超, 劉景林, 胡曉杰, 霍達(dá). “一”型磁鋼永磁電機(jī)空載漏磁系數(shù)計(jì)算[J]. 微電機(jī), 2015, 48(10): 20-23.

[4] 周勇, 占鈺濤, 戴文星. 基于Ansoft的永磁電機(jī)漏磁系數(shù)仿真準(zhǔn)確性研究[J]. 船電技術(shù), 2021, 41(09): 54-56.

Research on flux leakage coefficient of built-in permanent magnet motor based on two-dimensional simulation model

Zhan Yutao, Zhou Yong, Dai Wenxing, Sun Haiwen

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM351

A

1003-4862（2023）10-0064-03

2022-11-03

占鈺濤（1995-），男，助理工程師。研究方向：機(jī)電檢測(cè)。E-mail: 155187330@qq.com