基于永磁體三角型排列的永磁同步電動機特性分析

宋國輝，鐘再敏，王心堅

(同濟大學，上海201804)

0 引 言

隨著永磁材料和電機控制技術的不斷進步，永磁同步電動機憑借其較高的轉矩密度和功率密度，在混合動力及電動汽車中得到了較為廣泛的應用。但是，在永磁電機中，永磁體和有槽電樞鐵心相互作用，不可避免地產生齒槽轉矩，導致轉矩波動，引起震動和噪聲，影響系統控制精度。國內外的學者對此作了一定的研究。

目前，降低轉矩脈動的措施集中在電機控制方法研究與優化電機設計兩個方面。在電機控制方面，通過考慮死區效應下，電機定子磁鏈的變化軌跡，找到電機轉矩脈動與電機輸出頻率和載波頻率的關系，采取變載波頻率和死區補償的方法［1］，或是優化控制策略［2］，以抑制轉矩脈動。電機設計方面，學者們分析了電機的轉矩脈動與電磁負荷的關系［3-4］;定子槽型參數對電機脈動的影響［5］;轉子不同的斜極角度與反電動勢、齒槽轉矩的關系，提出了不同的解決方案［6-10］。

由于定子斜槽方式增加了電機的加工難度，并造成電機3%左右的轉矩損失。本文從電機的轉子結構形式出發，優化氣隙磁密波形，在不降低平均轉矩的情況下，削弱轉矩脈動。

1 三角形轉子結構分析

為降低電機轉矩脈動，本文提出一種三角形的轉子結構。該結構由傳統的“V”字型和“一”字型轉子結構組合而成，結構形式如圖1所示。電機尺寸參數如表1所示，兩種結構的空載氣隙磁密如圖2(a)所示。

圖1 轉子結構

表1 電機尺寸參數

經過傅里葉變換，空載氣隙磁密的主要諧波階次為2、3、6、12 次。“V”型結構中，各處氣隙磁密幅值基本相等，正弦度不好。三角形轉子結構與其相比，氣隙磁密基波得到較大增強，各次諧波中，三次諧波幅值有所下降，其余階次諧波幅值基本不變，這樣，空載氣隙磁密的波形正弦度變好，有利于降低電機的轉矩脈動。

圖2 空載氣隙磁密與諧波分析

2 結構參數影響分析

針對“一”字型結構對電機氣隙諧波和轉矩脈動的影響機理做分析，主要包括“一”字型永磁體的長度和寬度變化的影響。其長度L和寬度H的定義如圖1所示。

2.1 永磁體長度影響

選取“一”字型永磁體長度分別為8 mm、12 mm、14 mm進行仿真分析。其余電機結構、電負荷等參數保持不變。空載下的氣隙磁密波形如圖3所示。從圖3中我們可以看出，“一”字型永磁體長度增加后，每極氣隙中間處的磁密會逐漸增加，中心線兩側的氣隙磁密略微下降，這樣，電機空載氣隙磁密的主要階次的諧波所占的比例也隨之下降，波形的正弦度更好。

圖3 不同“一”字型永磁體長度下的氣隙磁密

在電機轉子處畫一條跨越一個極的圓弧，取其上的徑向磁密進行觀察，如圖4所示。

圖4 轉子磁密

從圖4可以看出，曲線呈現中間低、兩側高的特點，其原因在于，兩側的邊緣采用隔磁槽，邊緣狹小的空間內，阻礙漏磁通，其磁通多沿徑向方向流動。圖4中“V”字型的轉子結構，其中間部分的磁密較三角形轉子結構要低。加入“一”字型永磁體之后，轉子極中間位置的磁密得到加強，達到1.0 T以上。在“一”字型永磁體兩側的空氣隔磁槽，對磁路也有明顯的影響。永磁體長度為8 mm和14 mm時，“一”字永磁體兩側的隔磁槽處，磁密很小，說明其阻礙了磁通向隔磁槽外側流出，而是流向了中間位置處，這也是加入“一”字型永磁體后，轉子極中間位置對應的氣隙磁密得到加強的原因。永磁體長12 mm時，隔磁槽的存在促進了磁通向兩側流動。

圖5 不同“一”字型長度下的電機峰值轉矩

四種情況下的轉矩波形如圖5所示。由圖5可知，隨著“一”字型永磁體長度的增加，電機的平均轉矩也在快速增加，這是由于該永磁體改變了轉子的磁路特性，磁路磁阻發生變化，永磁體向外提供的磁鏈增多。與此同時，電機在峰值工況下的轉矩脈動大幅下降。“V”型結構中，電機峰值工況下的轉矩脈動為±6.4 N·m，為輸出轉矩的9.1%，選取“一”字型長度為14 mm時，電機的轉矩脈動為±1.33 N·m，為輸出轉矩的1.56%。其對應的轉矩脈動數值與其所占的比例如圖6所示。

通過以上分析，“一”字型永磁體一方面對整個磁場的有一個導向作用，通過對兩側“V”型永磁體產生磁通的吸引，加強其正對的氣隙磁場強度。隨著“一”字型永磁體長度的增加，“V”字型永磁體產生的磁鏈越來越多的向中間位置的偏轉，并絕大多數通過“一”字型永磁體后，進入“一”字永磁體正對的氣隙部分，少部分磁鏈進入了兩側的氣隙，由于磁路的延長，其強度會有所下降。對比后選取永磁體長度14 mm作為最終電機的仿真參數。

圖6 不同永磁體長度下電機峰值轉矩脈動、脈動百分比及齒槽轉矩分布矩

2.2 永磁體寬度影響

為討論“一”字型永磁體寬度對電機運行特性的影響，本文設置其寬度分別為3 mm、3.5 mm、4 mm與4.5 mm進行仿真分析，永磁體長度為14 mm，其余參數保持不變。仿真發現，隨著永磁體厚度的增加，穿過“一”字型永磁體的磁力線總數、氣隙磁密的諧波含量都基本不變，故“一”字型永磁體厚度的增加對電機的平均轉矩影響不大。但增加永磁體厚度后，電機轉子處的磁阻會發生微小變化，這種變化對電機某些高頻的脈動量有所影響，如圖7所示。

圖7 不同“一”字型永磁體厚度下主要階次轉矩諧波

選取“一”字型永磁體厚度為4 mm時，對應的12次、36次和48次諧波的幅值顯著降低，考慮到隨著永磁體厚度的增加，其磁場越強，永磁體越不容易退磁。因而本文設計的電機選取“一”字型永磁體型長14 mm、厚4 mm。

3 “V”型轉子結構與三角形結構仿真對比

通過上述分析，本文最終確定“一”字型永磁體尺寸為4 mm×14 mm，對“V”型與三角形結構電機進行仿真分析，結果如圖8所示。

由圖8可見，三角形結構的齒槽轉矩為0.8 N·m，相比與“V”型結構的1.4 N·m下降了43%。從圖8(b)中可以明顯地看出，三角形結構電機的6 000 r/min時的反電動勢波形正弦度優于“V”型結構。三角形結構電機通過合理設置電機轉子結構，調整了空載氣隙磁密的正弦度，對峰值轉矩脈動中的12次、24次諧波有顯著的抑制作用(如圖9所示)，并最終形成較小的峰值轉矩脈動，為1.3 N·m，在2%以下，且空載齒槽轉矩小于1 N·m。

4 結 語

本文從定子斜槽對平均轉矩的影響出發，指出優化轉子結構，增大氣隙磁密正弦度的必要性;提出轉子永磁體采用三角形的排列結構，并分析了其優化氣隙磁密波形，減少轉矩脈動的原理，并從“一”字型永磁體長度和厚度方面，改進了三角形結構的尺寸參數，使得電機的峰值轉矩脈動小于2%，齒槽轉矩小于1 N·m。

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