一種優化轉子磁路結構對永磁直流無刷電機性能的影響

郗珂慶，胡昊，郭炳岐，高俊麗

（西安航天動力測控技術研究所，陜西 西安 710025）

一種優化轉子磁路結構對永磁直流無刷電機性能的影響

郗珂慶，胡昊，郭炳岐，高俊麗

（西安航天動力測控技術研究所，陜西 西安 710025）

永磁直流無刷電機磁路對電機的性能有著重要的影響。本文在通用的電機結構基礎上提出了一種新的優化轉子磁路的方法，并通過建立磁路模型與仿真分析驗證了新方法的有效性。實驗證明優化轉子磁路結構的方法不僅能有效地提高氣隙磁通，增強電機的功率密度，還能降低鐵損，提高電機效率，具有重要的現實意義與價值。

永磁直流無刷電機；磁路優化；電機性能

永磁直流無刷電機，相較于機械換相的直流機具有更高的可靠性與工作壽命，相較于電勵磁電機具有更高的功率因數和效率，且經過電子控制獲得類似直流機的運行特性，因此，在社會生活的方方面面得到了越來越廣泛的應用[1]。在永磁直流無刷電機中，永磁體的性能和電機的磁路對電機的性能有著重要的影響[2]。本文在通用的電機結構基礎上提出了一種新的優化轉子磁路的方法，即，在極弧系數不高的情況下，有效地利用磁鋼之間的空隙使得新方法能達到提高工作氣隙磁通、降低轉子鐵損的效果。

1　一種優化的轉子磁路結構

本文提出的一種優化的轉子磁路結構如圖1所示，其中（a）和（b）分別是通用的轉子結構及優化的轉子結構。由（a）、（b）對比可以看出，當磁鋼的包覆系數不大的情況下，優化的轉子結構充分地利用了磁鋼Ⅰ之間的間隙，即用磁鋼Ⅱ填充剩余間隙并改變這些填充磁鋼的充磁方向（圖中的箭頭代表磁鋼的充磁方向），以達到優化磁路設計的目的。

圖1　 通用的轉子結構(a)及優化的轉子結構(b)

2　電機磁路模型及優化前后電機性能對比

2.1電機磁路

（1）未改進轉子結構的磁路。在通常的永磁直流無刷電機中，電機工作的主要磁路為：磁剛Ⅰ→空氣隙→定子→空氣隙→相鄰的磁剛Ⅰ→轉子磁軛→重新回到磁剛Ⅰ，其磁路模型如圖2所示。在電機設計中，由于電機的漏磁通常較小。

圖2　通用的永磁直流無刷電機磁路模型

在圖2，mΦ —磁鋼產生的磁通，1Φ—漏磁通，gΦ—氣隙磁通，R m—磁鋼磁阻，R g—氣隙磁阻，R 1—漏磁磁阻，R s—定子磁阻，R r—轉子磁阻。由于氣隙是電機進行能量交換的主要場所，依據簡化的磁路模型及磁路基爾霍夫第二定律可以得出氣隙的磁通為：

由上式可以看出，氣隙的磁通與磁鋼產生的磁通及磁路的磁阻有著密切的關系。

（2）優化轉子結構后的磁路。對于優化的轉子結構，其主要磁路為：磁剛Ⅰ→空氣隙→定子→空氣隙→相鄰的磁剛Ⅰ→轉子磁軛+插入的磁鋼Ⅱ→重新回到磁剛Ⅰ。優化后的磁路模型如圖3所示，同理，忽略電機的漏磁效應就可以將模型簡化，在此不做贅述。

2.2優化前后電機性能對比

對比改進前后電機的磁路（如圖2、圖3所示），本文所提出的優化結構具有以下特點：

（1）改進后，整個磁路的磁阻會降低，則氣隙的磁通會提高，在匝數不變的情況下，電機的力矩系數會增加，電機的機械特性曲線會變硬，且電機的功率密度也會提高，這對于減小電機的體積、降低電機的重量具有一定的實際意義。說明：在設計時需保證電機的磁路不飽和。

（2）在一定情況下，能有效地提高電機的效率。這是由于電機轉子磁軛的磁密降低，電機轉子部分的鐵損減小的緣故。

圖3　優化轉子結構后的永磁直流無刷電機磁路模型

3　系統仿真實例

3.1仿真設置

為了對比轉子結構改進前后對電機性能的影響，仿真模型僅在有無磁鋼Ⅱ上有區別，其它的參數設置、材料屬性等均一致。仿真模型的主要設計參數為：（1）電機類型：永磁直流無刷電機、三相六狀態星形連接；（2）電機槽極數：4極12槽；（3）供電電壓：56 V；（4）繞組類型：雙層繞組、整極距；（5）材料類型：軟磁材料35w270，硬磁材料SmCo30H。

3.2仿真結果與分析

仿真結果如圖4所示。圖4是兩個模型的周向氣隙磁密，其中，實線代表的是通用結構的，點化線代表的是優化磁路結構的。由圖4可以明顯看出，優化方案的計算極弧系數（所形成的每極氣隙磁感應強度的平均值與最大值的比值）要明顯大于原始方案的計算計算極弧系數。通過對磁路的改善，每極的磁通會增加，這在一定程度上提高了電機的功率密度（或轉矩密度），使得電機更小型化和輕質化。

圖4　仿真模型的周向氣隙磁密

改進方案的轉子磁軛其磁力線要明顯稀疏于未改進方案的，這在一定程度上會降低電機的鐵損，提高電機的效率，這種改善效果在高轉速電機中表現的更為明顯

4　結論

電機設計時，電機的磁路優化是一個值得深入的問題。本文所提出的磁路優化方案對電機的性能有著一定的改善，具有一定的工程應用意義。

[1]譚建成.永磁無刷直流電機技術[M].機械工業出版社.

[2]周贛，黃學亮，周勤博，等.Halbach型永磁陣列的應用綜述[J].微特電機，2008,8.

TM 33

A

1671-0711（2016）09（下）-0104-02