不同磁極結構對高速永磁同步電動機磁場影響分析

胡月菊，方瑞明，葉志軍

(華僑大學，廈門361021)

0 引 言

高速永磁同步電動機具有轉速高、動態響應快、同等條件下結構尺寸小、功率密度高等諸多優點，使其在航空工業、通用工業和紡織、能源等領域應用越來越廣泛，因此提高高速永磁電機的性能也顯得越來越重要。

傳統表貼式內轉子電機結構簡單、易于制造，但電機高速運行時產生的離心力容易損壞永磁體，在加護套的情況下又易增加氣隙有效長度，從而增加永磁體的用量而增加成本。另一方面，電機高速運轉也易產生振動，增加電機噪聲。為設計出高性能的永磁電機，近些年來，諸多學者對不同表貼式永磁電機進行了研究分析。文獻［1］分析了不同偏心距對永磁電機齒槽轉矩的影響，指出隨著偏心距的增加，氣隙磁密徑向分量的大部分系數減小，此情況下可通過不等厚磁極結構來降低齒槽轉矩。文獻［2］指出了不等厚磁鋼對永磁無刷直流電動機空載氣隙磁場和轉速的影響，對比分析了不同偏心距時空載氣隙磁場變化及對電機空載轉速的影響，得出隨著偏心距的增加，極間漏磁系數逐漸增加，空載轉速也隨之增加。文獻［3 -4］對Halbach 型永磁電機磁場進行了分析，表明Halbach 型永磁電機具有較好的正弦特性及磁屏蔽性能。文獻［5］還進一步研究了充磁角度對Halbach 型磁鋼結構永磁電機的氣隙磁通密度影響，并給出了極間有間隔的Halbach 磁體充磁角度的計算公式。

因2 極永磁同步電動機便于永磁體采用整體結構，以保證永磁體機械和電磁性能的對稱性，4 極結構相對于2 極電機在結構尺寸相同的條件下可提高電機功率密度，所以高速永磁同步電動機通常采用2 極或4 極結構［6］。本文利用有限元方法分別研究了2 極、4 極電機的傳統磁極結構、不等厚磁極結構和Halbach 型磁極結構的高速永磁電機的氣隙磁密分布特點并對比分析，并討論不同磁極結構的永磁電機所適用的場合。

1 3 種轉子結構

以表面凸出式、4 極電機結構圖為例進行說明。傳統形式的轉子結構如圖1(a)所示，永磁體采用瓦片形，貼在轉子鐵心。不等厚永磁體轉子結構如圖1(b)所示，磁極內外徑不同心，內徑對應的圓心為O，外徑對應的圓心為O'，此時磁極厚度h'(θ)和氣隙長度δ'(θ)隨位置角θ 變化。偏心距h 為O 到O'之間的距離，h 不同，則氣隙磁密徑向分量的分布也不同。磁極不等厚時，氣隙磁密徑向分量可表示［2］:

Halbach 型結構永磁電機轉子每極磁鋼由多塊永磁體組成。本文所分析的Halbach 型轉子每極磁鋼包括5 塊永磁體，如圖1(c)所示，采用正弦充磁方式，充磁夾角β［7］:

式中:p 是極對數;m 為每極永磁體的分塊數。

圖1 不同轉子結構圖

2 永磁電機的有限元分析模型

為便于分析計算，基于以下假設條件建立高速永磁電機磁場分析模型:

(1)采用二維靜態磁場分析，不計電機端部效應，且磁場沿軸向均勻分布;

(2)忽略電機外部漏磁場，定子外表面圓周和轉子內表面為零磁矢位面;

(3)忽略鐵磁材料中的渦流損耗和磁滯損耗。

由以上假設取整個電機截面作為求解區域，設磁矢位Az為求解函數，利用有限元分析軟件建立高速永磁電機模型，其電磁場問題可表示成邊值問題:

式中:γ 為磁阻率;Az為磁矢位;Γ1，Γ2分別為第一、二類邊界。

式(1)等價為條件變分問題如下:

式中:Ω 為所分析電機的求解區域。

3 高速永磁電機有限元磁場分析

為比較不同磁極結構對高速永磁電機性能的影響，依照表1 參數建立傳統磁極結構、不等厚磁極結構以及Halbach 型磁極結構高速永磁電機仿真模型，分析不同轉子結構下高速永磁電機磁場的分布情況。

表1 高速永磁電機參數表

3.1 2 極高速永磁電機氣隙磁場對比分析

圖2 為三種不同轉子結構的2 極高速永磁電機磁感應強度B 分布矢量圖。

圖2 2 極電機不同轉子結構磁感應強度分布矢量圖

圖2(a)中定轉子軛部磁密較高，易發生磁路飽和;圖2(b)定轉子軛部磁密相對較小并較傳統結構分布均勻;圖2(c)磁密分布均勻，磁鋼處磁密相對較大，隨著距磁體的距離增加，磁通發散量逐漸增加。

圖3 為三種磁極結構的2 極高速永磁電機在同一磁極下、平均氣隙半徑處的氣隙磁密分布對比圖。圖4 為該情況下氣隙磁密的各次諧波含量分布情況。

圖4 2 極永磁電機氣隙磁密諧波分解

由圖4 可見，傳統磁極結構氣隙磁密比不等厚磁極結構大，Halbach 結構氣隙磁密更接近于正弦波。傳統結構的基波幅值約為0.34 T，不等厚磁極結構約為0.38 T，比傳統結構高約11.8%，而其他次諧波均小于傳統結構。Halbach 結構約為0.57，比傳統結構高67%左右，除3 次、11 次諧波外，其它次諧波均高于傳統結構和不等厚磁極結構，5 次諧波尤甚，且由于Halbach 型磁極機構隨著每極磁鋼分塊數的增加更趨近正弦波［2］，較適用于永磁同步電動機。

3.2 4 極永磁電機氣隙磁場對比分析

圖5 為三種不同轉子結構的4 極高速永磁電機磁感應強度B 分布矢量圖。

圖5 4 極電機不同轉子結構磁感應強度分布矢量圖

圖5(a)、圖5(b)中磁鋼磁密在極間達到最大，但圖5(b)增加了極間漏磁，磁通密度較圖5(a)小，且文獻［3］指出，不等厚磁極結構當磁極偏心距增加時，氣隙磁密波形的平頂寬度將減小，更趨近正弦波，所以不適合應用于無刷直流電動機;圖5(c)中磁鋼處磁密均勻分布，轉子軛部磁路較寬松，磁密較小，此結構的電動機可采用較小的轉子鐵心軛厚度，這對降低電機的體積和質量，從而提高電機的轉矩密度和功率密度極為有利。此外，Halbach 型磁極結構的極間漏磁較小，具有較好的磁屏蔽性能。

圖6 為三種磁極結構4 極高速永磁電機在同一磁極下、平均氣隙半徑處的氣隙磁密分布對比圖。圖7 為該情況下氣隙磁密的各次諧波含量分布情況。

圖7 4 極永磁電機氣隙磁密諧波分解

由圖7 可見，傳統結構和不等厚磁極結構的氣隙磁密波形更接近于方波，而Halbach 型磁極結構更趨近于正弦波。此外，傳統結構基波幅值約為0.17 T，不等厚磁極結構約為0.22 T，較傳統結構高約29%，其它次諧波幅值均小于傳統結構;Halbach 基波幅值約為0.35，較傳統磁極結構高約106%，較不等厚磁極結構高約59%，其它次諧波均小于傳統和不等厚磁極結構。

4 結 語

通過對比分析3 種磁極結構的2 極和4 極高速永磁電機磁場分析，可得:

(1)4 極電機磁鋼磁密分布較2 極均勻，2 極電機氣隙磁密基波幅值更高，氣隙磁密值也較大。

(2)Halbach 結構諧波含量小，轉子軛部磁密較低，可發揮磁鋼更大的性能，較適合永磁同步電動機。

(3)不等厚磁極結構雖能達到減振降噪的效果，但會使極間漏磁增加，降低永磁體的利用率，增大電機的體積及成本。

［1］ 王秀和.永磁電機［M］.北京:中國電力出版社，2011:91 -93.

［2］ 張學成，楊向宇，曹江華.不等厚磁極對無刷直流電動機性能分析［J］.微特電機，2014，42(2):9 -13.

［3］ WANG Xiu -lian，MA Xiu - li，YUAN Xue - zhong. Analysis of Magnetic Field for Inner Rotor Coreless Permanent Magnet Machines with Halbach Array［C］// 2011 International Conference on. Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices(ASEMD).Sydney，2011:335 -338.

［4］ 李立毅，李鵬，吳紅星.永磁直線同步電動機Halbach 陣列磁場分析［J］.微電機，2009，42(4):8 -10.

［5］ 李延升，竇滿峰，張春雷.Halbach 型磁鋼的永磁電機氣隙磁場解析計算［J］.微電機，2013，46(3):6 -9.

［6］ 王繼強，王鳳翔，孔曉光.高速永磁發電機的設計與電磁場性能分析［J］.中國電機工程學報，2008，28(20):105 -110.

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