新型永磁磁通切換電動機的電磁性能及溫度分析

王 萍，全 力，朱孝勇

(江蘇大學，鎮江212013)

0 引 言

長期以來，國內外學者研究較多的永磁電機大多是轉子永磁型［1］，即將電樞安裝在定子，永磁體置于轉子。然而這種結構具有一定的局限性，同時永磁體位于轉子，冷卻條件差，散熱困難，限制了電機的出力，制約了電機性能的進一步提高。為克服轉子永磁型電機的缺點與不足，將永磁體置于定子上，即定子永磁型電機。到目前為止，關于雙凸極永磁電機的本體設計、工作原理，電磁性能的分析及控制的研究成果較多［2－3］。而磁通切換電機既具備雙凸極永磁電機的轉子結構簡單、適于高速運轉等優點，又具備了轉子永磁型電機空載磁鏈為雙極性等優點，但國內外學者關于這方面的研究仍有許多的不足。

磁通切換電機具有功率密度高、轉子結構簡單、適合高速運行等優點［4－5］，它主要分為三大類:

一類是永磁式磁通切換電機，其氣隙磁場由永磁體建立;另一類是電勵磁式磁通切換電機，其空載氣隙磁場通過電樞繞組產生;第三類是混合式磁通切換電機，它同時存在兩個不同的磁勢源，永磁體在氣隙中產生一個基本不變的磁通，通過改變勵磁繞組電流的方向和大小，使得氣隙中磁通發生變化。

目前，對于磁通切換電機的研究成果主要為本體電磁性能分析、工作原理分析、靜態特性分析、渦流損耗計算等方面。這些研究成果主要集中于對內轉子式磁通切換電機的研究［4－5］，對于外轉子式磁通切換電機的研究國內外鮮有報道。本文提出了以三相12/22 極外轉子式定子永磁型磁通切換電機為研究目標，利用有限元軟件對電機進行建模仿真，分析其電磁特性，并通過電磁－溫度場耦合的方法，建立電機的穩態溫度場的聯合仿真，估測了電機在空載、額定運行的情況下電機各部分的溫度分布情況，對電機計算所得的仿真結果和實驗所測得的結果進行比較分析，驗證了本文提出的新型電機模型的正確性和有效性。

1 電機的結構及工作原理

1.1 電機的基本結構

三相外轉子式定子永磁型磁通切換電機結構如圖1 所示。定轉子皆由硅鋼片疊壓而成，轉子為雙凸極結構，位于定子外側，轉子上既無永磁體，也無繞組，永磁體嵌在定子鐵心內，與空氣不直接接觸，繞組采用集中繞組，每4 個線圈串聯成一相繞組。

圖1 電機結構圖

1.2 磁通切換的原理

磁通切換是指繞組里匝鏈的磁通(磁鏈)會根據轉子的不同位置切換正負極性和數值大小。在一個轉子極距范圍內，對應著電機的一個電周期，磁通的數量會從最大變到最小，方向從進入繞組到穿出繞組。依據“磁阻最小原理”，磁通都是通過磁阻最小的路徑閉合的。磁通切換電機工作原理如圖2 所示［6］，圖2(a)為永磁磁通沿著圖示箭頭的路徑從定子齒進入與之相對齊的轉子極，圖2(b)中永磁磁通不變，但對繞組而言，路徑完全相反，為穿出轉子極而進入定子齒。當轉子在上述兩種位置之間不斷運動時，繞組中匝鏈的永磁磁通在正負最大值之間不斷變化，實現了所謂的磁通切換。

圖2 磁通切換原理

2 電機的電磁分析

2.1 磁場分布

由于電機實際運行時，電機中同時存在永磁體和電樞電流，其共同作用產生了氣隙磁場，故分析永磁體和電樞電流單獨作用時產生的磁場。圖3(a)為永磁體單獨作用時產生的磁場分布，圖3(b)為0°轉子位置角只給A 相繞組通入直流電時磁場的分布。由圖3(a)可以看出，永磁體在內部氣隙有一定的漏磁。因為永磁體為切向交替充磁，電機具有聚磁效應，兩塊永磁體產生的磁通聚集在一起穿過氣隙進入轉子，這是該電機的氣隙磁密遠遠高于其他類型永磁電機的原因。由圖3(b)可以看出，該位置時電樞磁通大部分進入定轉子鐵心，穿過永磁體的磁力線很少。

圖3 磁場分布

圖4 為永磁磁場在氣隙上的分布波形，圖5 為電樞電流為額定電流10 A 及30 A 時的氣隙磁密分布波形。永磁磁密峰值接近1.7 T，電樞電流10 A及30 A 時，電樞磁密峰值分別為0.4 T 和1.5 T，可見即使電樞電流達到額定電流的3 倍時，其產生的電樞反應磁場仍不能和永磁磁場相比。

圖4 永磁氣隙磁密分布

圖5 電樞反應磁密分布

2.2 電機空載特性

電機在額定轉速750 r/min 下運行，電機的空載特性如下。由圖6 的電機空載磁鏈波形可以看出，電機的磁鏈為雙極性正弦分布，與一般的雙凸極永磁電機的單極性分布不同。圖7 為電機空載反電動勢，圖8 為電機空載反電勢諧波分析，從中可以看出，電機的反電動勢接近于正弦波，對其進行諧波分析，電機的諧波畸變率為4.96%，除了一次諧波較大，其余的高次諧波較小，基本可以忽略不計，說明電機的反電勢正弦度很高。圖9 為電機的定位力矩波形，電機定位力矩很小，電機脈動很小，運行可靠。

圖6 空載磁鏈波形

圖7 電機空載反電動勢

圖8 反電勢諧波分析

圖9 定位力矩波形

3 電機的溫度分析

在電機運行過程中，電機各部分的溫度對電機運行時的可靠性和電機本身的壽命起著決定性的影響。故在電機設計的初始的階段，對電機本體的溫度分布進行分析是十分必要的。對傳統的電機溫度場分析，一般采用熱路法或者是熱網絡法，通過假設和簡化，最后形成經驗公式，其計算所得到的結果一般認為是整個電機的平均溫度，計算結果并不能很好地體現出電機本體各部分的溫度情況。與此同時，在實際的電機運行情況下，電機的整個運行情況相當復雜，其內部各部分溫度分布也各不相同。對于一個復雜的運行情況下的電機，對其進行電磁場和溫度場的多物理場耦合分析是十分重要的。本文首先在Maxwell 中對電機進行建模仿真，得出相應的損耗，再利用ANSYS Workbench 與Maxwell 聯合，進行電機的穩態溫度場的聯合仿真，仿真結果可以得出電機的每個部位的基本溫度的分布云圖，對計算所得出的仿真結果和實驗所得出的結果進行比較分析，進一步驗證本文所提出的電機模型的正確性和有效性。

3.1 溫度場計算方法

為簡化電機溫度的計算，對電機模型進行一定的假設:假定電機沿軸向方向是連續分布的，且電機軸向溫度的梯度為零。對電機進行有限元分析，將熱力學的第一定律應用到一個微元體上，二維溫度場的熱平衡微分方程表達式［7］:

對于穩態熱傳遞而言，溫度分布對于時間的變化率為零。熱平衡的微分表達式:

式(1)、式(2)中:λx，λy是材料沿x，y 兩個方向的導熱系數。

為求解上述方程，還需給定邊界條件。常見的邊界調節分為三類:

(1)溫度邊界條件:

(2)熱流邊界條件:

(3)對流換熱邊界條件:

式(3)～式(5)中:T0是邊界溫度;q0是熱源;Tf與α分別代表周圍介質的溫度和邊界的散熱系數。

3.2 電機各部件的導熱系數、熱生率及散熱系數

求解時，將電機各部分均視為均質發熱體，忽略軸向傳熱，即電機軸向各截面的溫度相等，材料各向同性。永磁體的導熱系數為15 W/(m·K)，硅鋼片的導熱系數為40 W/(m·K)，導線導熱系數為380 W/(m·K)。

電機在運行過程中會產生損耗，這些損耗大部分轉換成熱量，與周圍環境進行換熱，最后達到溫度的穩態平衡。電機的損耗可以分為銅耗、鐵耗、機械損耗以及各種附加的損耗這四大類。

繞組銅耗:

電機的鐵耗pFe一般由渦流損耗pe和磁滯損耗ph組成。即:

式中:ph為磁滯損耗;pe為渦流損耗;Kh為磁滯損耗系數;f 為磁場交變的頻率;Bm為氣隙磁密;Ke為渦流損耗系數;Δ 為硅鋼片厚度;V 為鐵心的體積。

由于采用聯合仿真，可以由有限元軟件準確計算出電機的鐵心損耗和永磁渦流損耗。由于機械損耗和各種附件損耗難以用場進行精確的計算，并且在總的損耗中所占比例相對較小，故忽略不計。

生熱率的物理定義是單位時間內單位體積中內熱源的生成熱。

式中:W 為熱損耗;V 為材料體積。

電機內部溫升的分析，除了需要對電機的損耗進行精確的求解外，散熱系數的確定也是非常重要的。轉子切向方向的運動和定子圓周表面的阻滯影響了電機氣隙的冷卻。故電機氣隙的散熱系數可表示:

式中:ω 為氣隙平均風速，v 為轉子表面旋轉速度。

3.3 結果和實驗

由于電機屬于外轉子型，電機的轉子與空氣自然傳熱，散熱系數較大，故電機的轉子外側溫度最低。電機的轉子旋轉與定子間的氣隙存在對流換熱，故定子外側的溫度由于對流散熱，溫度相較于軸間溫度較低。由于永磁體嵌在定子鐵心上，樣機定子溫度分布近似于等溫分布，整個定子溫度差不大。圖10(a)為電機空載時的溫度分布，定子最高溫度51°C，圖10(b)為電機額定運行時的溫度分布，定子最高溫度為114.2°C，此時已超過永磁體的最高溫度，永磁體會發生不可逆去磁。

圖10 溫度分布

若樣機發熱問題較嚴重，長期運行將減少使用壽命。從仿真結果可看出，電機溫度最高處為定子，電樞繞組均勻分布在定子上，電機的主要損耗來自銅損。從負載時的仿真結果來看，樣機的最熱點溫度超過了永磁體的極限溫度，為了減少高溫對永磁材料性能的影響，因此解決樣機的發熱問題尤為緊迫。一般可通過降低電機的損耗大小或者改善散熱條件等多種散熱方式來解決樣機的發熱問題。圖11 為軸向強迫通風冷卻電機時的溫度分布，定子最高溫度為73.4°C，定子軸側溫度將降低明顯，最低溫度為51°C。對比有限元仿真結果可以看出，對電機軸向進行通風，電機的整體溫度有了明顯的降低。

圖11 軸向通風溫度分布

為了驗證仿真的合理性，在實驗室中制作了1 kW 的實驗樣機，在相同的冷卻條件下，實測溫度與仿真溫度的比較如表1 所示。由表1 可以看出，除了電機運行在15%的額定負載情況時，實測溫度和仿真結果基本接近。電機運行在15%的額定負載情況時，仿真溫度要遠高于實際溫度，主要是因為仿真中電機的初始溫度設置比電機低負荷運行時實際的溫度要高。

表1 實測溫度與仿真溫度相比較

4 結 語

本文介紹了一種新型的永磁磁通切換電機，詳細分析其結構、工作原理及電機電磁特性，仿真和實驗結果表明該電機設計的合理性。將電磁場及溫度場都考慮在電機的設計過程中，采用電磁－溫度場耦合仿真，得到電機的溫度分布。同時利用合理的通風散熱方式，改善電機的發熱，比較仿真結果和實驗測得的溫度，其結果是基本接近的，進一步驗證了本文所提出的電機模型的可行性和正確性。

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［2］ 孫亞萍，閔瑩，胡春玉.結構對永磁雙凸極電機性能影響的分析［J］.微電機，2009，42(2):26－28，46.

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［6］ 朱孝勇，劉修福.新型磁通切換電機優化設計與動態建模仿真［J］.電機與控制應用，2012(12):5－10.

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