計及定子開槽的插入式永磁電機轉(zhuǎn)子偏心空載氣隙磁場全局解析迭代模型

周曉燕 章躍進 李 琛 仇志堅

（1.青島理工大學(xué)自動化工程學(xué)院 青島 266033 2.上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院 上海 200072）

1 引言

本文研究的插入式永磁電機定轉(zhuǎn)子開槽，轉(zhuǎn)子上的永磁體沉入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，且極性相同。相鄰永磁體之間為鐵心凸極，在永磁體的磁化作用下，呈現(xiàn)出與永磁體相反的極性，從而構(gòu)成鐵極與永磁極交替出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。研究表明此種電機結(jié)構(gòu)具有懸浮和旋轉(zhuǎn)自解耦的優(yōu)良屬性[1-8]。但是該結(jié)構(gòu)使得這種電機氣隙磁場的分布更為復(fù)雜，尤其增加了轉(zhuǎn)子偏心氣隙磁場的計算難度。

目前插入式永磁電機電磁場計算的研究主要采用有限元法[4-8]，有限元法計算精度高，但在偏心量發(fā)生變化后，必須重新剖分，使用不夠方便；并且計算過程中需要良好的網(wǎng)格剖分保證其高計算精度；有限元法計算偏心力，一般采用虛位移法和麥克斯韋張量法。虛位移法計算比較繁瑣；而麥克斯韋張量法計算偏心力時，氣隙中的線積分路徑需穿過許多有限元網(wǎng)格，網(wǎng)格的品質(zhì)及從何處穿過網(wǎng)格單元都會對計算結(jié)果產(chǎn)生影響[9,10]。較之有限元法，解析法參數(shù)調(diào)整方便，能快速計算不同轉(zhuǎn)子位置下的氣隙磁場，解析表達式能直接反映磁場分布與各參數(shù)之間的關(guān)系，并且避免了計算偏心力時有限元法在剖分網(wǎng)格和曲面位置選擇上的不足。

目前，攝動法在表貼式永磁電機偏心磁場解析分析中取得了較好效果[11-14]。攝動法又稱小參數(shù)展開法。選擇一個能反映物理特征的無量綱小參數(shù)作為攝動量（這里為偏心率），然后假設(shè)解可以按小參數(shù)展開成冪級數(shù)，將這一形式級數(shù)代入無量綱方程后，可得各級近似方程，依據(jù)這些方程可確定冪級數(shù)的系數(shù)，對級數(shù)進行截斷近似，便得到原方程的漸進解。文獻[11]應(yīng)用攝動法求解忽略定子槽影響的表貼式永磁電機偏心電磁場問題，文獻[12-14]提出了考慮定子槽影響的表貼式永磁電機氣隙磁場解決方案，以上電機由于永磁體貼在轉(zhuǎn)子表面，僅有定子開槽，故其偏心解析計算相對簡單，而插入式永磁電機由于永磁體沉入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，故需要考慮定子和轉(zhuǎn)子兩方面開槽的影響，因此其解析計算模型比較復(fù)雜，求解困難。

本文利用解析迭代法研究定子開槽插入式永磁電機轉(zhuǎn)子偏心氣隙磁場分布，電機模型如圖1 所示，4 塊N 極充磁的永磁體沉入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，模型分成3個區(qū)域:氣隙，永磁體和定子槽，Rs、Rr分別為定子內(nèi)徑、轉(zhuǎn)子外徑，Rsy為定子槽底半徑，Rm為永磁體半徑，氣隙g=Rs-Rr，a 為永磁體寬度角，永磁體厚度hm=Rr-Rm，β為定子槽寬度角。本文分別經(jīng)過以下三步求解該交替極電機的全局解析模型:①假設(shè)定子表面光滑，求解域分為永磁體和非均勻氣隙兩部分，應(yīng)用攝動法計算轉(zhuǎn)子偏心情況下的氣隙磁場分布:將矢量磁位用攝動級數(shù)表示，并取級數(shù)的前兩項零階和一階近似，結(jié)合零階和一階邊界條件，得到此時的氣隙磁場分布；②求解域為定子槽和局部氣隙區(qū)域，利用以上的計算結(jié)果確定邊界條件，得到考慮定子開槽影響的磁場分布；③獲得定子開槽后的邊界條件，再次計算。經(jīng)多次迭代，得到最終解。

圖1 插入式永磁電機全局模型Fig.1 Insert permanent magnet global model

2 定子無槽、轉(zhuǎn)子偏心氣隙磁場模型

2.1 模型

圖2 所示為該電機定子無槽、轉(zhuǎn)子偏心模型。求解區(qū)域分成非均勻氣隙區(qū)域和永磁體區(qū)域兩部分。其中轉(zhuǎn)子軸心為Or，定子軸心為Os。d 為轉(zhuǎn)子和定子軸心的偏心距離，φ 為Os和Or的連線與極軸的夾角，即偏心角。轉(zhuǎn)子軸心為坐標原點，偏心率定義為

式中 Rs——定子內(nèi)半徑。

圖2 定子無槽、轉(zhuǎn)子偏心模型Fig.2 Insert permanent magnet with rotor eccentricity and slotless

為簡化計算，對模型做如下假設(shè):①轉(zhuǎn)動過程中定轉(zhuǎn)子軸心保持平行；②定轉(zhuǎn)子鐵心磁導(dǎo)率無窮大；③忽略渦流和飽和效應(yīng)；④永磁體相對磁導(dǎo)率μr=1。

2.2 偏微分方程和邊界條件

在極坐標系下，氣隙區(qū)域和永磁體區(qū)域矢量磁位拉普拉斯方程和泊松方程如下:

其中，永磁體磁化如圖3 所示，對磁化強度M進行傅里葉分解[16]，得

Br——永磁體剩磁；

p——極對數(shù)；

μ0——空氣磁導(dǎo)率；

j——第j 塊永磁體；

m——永磁體區(qū)域的諧波次數(shù)；

a——永磁體寬度角。

圖3 永磁體充磁Fig.3 Radial magnetization

兩個區(qū)域磁通密度和磁場強度的關(guān)系為[17]

在極坐標系下，磁場強度表達式為[17]

式中，i=1 表示氣隙域，i=2 表示永磁體域。

定子與氣隙交界面邊界條件描述為[11]

式中 n——邊界上的單位法向矢量。

根據(jù)攝動法，極坐標系下定子內(nèi)徑圓軌跡為[15]

在圖2 所示坐標系下，可以表示為[11]

因此，定子內(nèi)圓邊界可以表示為

經(jīng)過矢量運算，定子內(nèi)徑邊界條件可以寫成

其他邊界如下:

式中 θj——第j 塊永磁體位置。

根據(jù)攝動理論，矢量磁位A 可以寫為

將式（26）和式（27）代入邊界式（19）中，并應(yīng)用泰勒級數(shù)在Rs處展開得

將式（25）代入式（2）、式（3）中得到零階矢量磁位A 的偏微分方程如下:

將式（29）、式（30）代入邊界式（20）～式（24）中，可得零階邊界條件為

同理可得一階偏微分方程和邊界條件如下:

分別求解零階方程組式（29）～式（35）和一階方程組式（36）～式（42）即可得零階和一階解。

2.3 求解零階方程組

根據(jù)式（29）～式（35），氣隙區(qū)域和第j 塊永磁體區(qū)域的零階通解可以寫為[16]

最后，可以得到氣隙區(qū)域零階磁通密度分別為

2.4 求解一階方程

根據(jù)方程式（36）～式（42），氣隙和永磁體區(qū)域的一階矢量磁位A 的通解可寫成

將式（45）、式（46）和式（49）、式（50）代入攝動方程中，得到考慮轉(zhuǎn)子偏心氣隙磁通密度和氣隙磁位分布如下:

3 定子開槽模型

建立如圖4 所示模型，定子圓心為坐標原點，轉(zhuǎn)子坐標和定子坐標關(guān)系如下[11]:

圖4 定子開槽模型Fig.4 model with stator slot

模型分為兩個區(qū)域:氣隙和定子槽，分別建立氣隙和第h 個槽拉普拉斯方程為

氣隙通解為

第h 個槽通解為[16]

式中 k——槽區(qū)域諧波次數(shù)。

取氣隙中半徑Rg，其磁位值作為開槽模型的邊界條件為

其他邊界條件為

4 迭代修正

取定子開槽模型中氣隙圓周Rg1上的磁位值，作為圖5 所示模型的邊界條件，模型的方程、通解和其他邊界條件見式（29）、式（30）、式（32）～式（35）和式（43）、式（44），可以得到此時的氣隙磁位分布，將此磁位值作為定子開槽模型的邊界條件，重復(fù)進行式（56）～式（62），如此迭代反復(fù)，設(shè)前后兩次計算結(jié)果的誤差為

式中 nn——氣隙域圓周上的計算磁位點數(shù)；

圖5 迭代模型Fig.5 Iteration model

考慮工程允許范圍，本文取δ=3%，視為迭代結(jié)束，此時可得最終氣隙磁場分布。

根據(jù)氣隙磁場分布可以得到偏心力和轉(zhuǎn)矩[17]為

式中 Lef——電機鐵心長。

5 與有限元分析結(jié)果比較

為檢驗插入式永磁電機轉(zhuǎn)子偏心氣隙磁場全局解析模型的準確性，本文使用Ansoft 有限元分析軟件，對一臺4 對極21 槽插入式永磁電機[7]二維建模，采用分數(shù)槽是為了增加極槽數(shù)的最小公倍數(shù)，抑制雙邊開槽結(jié)構(gòu)的齒槽定位轉(zhuǎn)矩。將有限元分析結(jié)果與解析計算結(jié)果的磁通密度波形和偏心力作比較。電機模型參數(shù)見表1。

圖6 為d=0.08mm 時氣隙磁通密度解析結(jié)果和有限元計算結(jié)果的對比。由圖可知，氣隙磁通密度的解析結(jié)果與有限元分析結(jié)果相吻合，驗證了解析模型計算氣隙磁通密度的準確性。圖7 為d=0.16mm時氣隙磁通密度解析結(jié)果和有限元計算結(jié)果的對比。同樣，解析結(jié)果逼近有限元分析結(jié)果。

表1 電機模型參數(shù)Tab.1 Parameters of the motor model

圖6 氣隙磁通密度比較（d=0.08mm）Fig.6 FEM and analytical predicted flux density waveforms（d=0.08mm）

圖7 氣隙磁通密度比較（d=0.16mm）Fig.7 FEM and analytical predicted flux density waveforms（d=0.16mm）

不同偏心距離情況下偏心力解析結(jié)果和有限元分析結(jié)果及其相對誤差見表2。比較結(jié)果表明:偏心力的解析結(jié)果與有限元分析結(jié)果的相對誤差在4%以內(nèi)，表明本文提出的插入式永磁電機轉(zhuǎn)子偏心全局解析模型在計算偏心力時的準確度。

表2 偏心力解析解與有限元解比較Tab.2 The eccentricity force

圖8 和圖9 分別為偏心距離d=0 和d=0.16mm時齒槽轉(zhuǎn)矩的解析解波形和有限元波形的比較結(jié)果。該電機在不偏心情況下齒槽轉(zhuǎn)矩幅值為±0.128N·m，在偏心距離為0.16mm 時齒槽轉(zhuǎn)矩幅值為+0.138N·m 和-0.186N·m，兩種偏心情況下解析結(jié)果逼近有限元結(jié)果。

圖8 齒槽轉(zhuǎn)矩比較（d=0）Fig.8 FEM and analytical predicted cogging torque（d=0）

圖9 齒槽轉(zhuǎn)矩比較（d=0.16mm）Fig.9 FEM and analytical predicted cogging torque（d=0.16mm）

6 結(jié)論

本文建立了插入式永磁電機轉(zhuǎn)子偏心全局解析迭代模型，忽略飽和作用，采用攝動方法推導(dǎo)并得到了定子無槽轉(zhuǎn)子偏心氣隙磁場分布，并用解析迭代法考慮定子開槽的影響。氣隙磁通密度和齒槽轉(zhuǎn)矩的解析結(jié)果與有限元分析結(jié)果相吻合，計算偏心力的相對誤差在4%之內(nèi)，比較結(jié)果證明了該電機轉(zhuǎn)子偏心全局解析模型的正確性和有效性。該模型參數(shù)修改方便，能夠方便地計算各種轉(zhuǎn)子位置和偏心參數(shù)情況下電機的磁場分布。

附錄 A

將式（43）代入式（38）的右邊并應(yīng)用泰勒級數(shù)展開，與方程左邊比較可得

將式（48）代入式（39）中得

對邊界式（40）、式（41）應(yīng)用傅里葉級數(shù)展開可得

對永磁體邊界式（42）應(yīng)用傅里葉級數(shù)展開得

附錄 B

將式（53）、式（58）代入邊界式（60）中，并應(yīng)用傅里葉級數(shù)得

將式（58）、式（59）代入邊界式（61）中，應(yīng)用傅里葉級數(shù)得

將式（58）、式（59）代入邊界式（62）中，對每槽積分得

根據(jù)式（B1）～式（B5）可以得到系數(shù)An-Dn的表達式為

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