永磁容錯電機的結構設計與分析

陸亞川　尹洋　譚澤鑫

【摘 要】三相永磁容錯發動機在結構設計上可以實現容錯原理，使發動機本身受益于物理絕緣，隔熱和磁絕緣和電絕緣等能力。合理有效的電機結構的設計可以在某些程度上使得發動機的性能得到改善和提升。本篇文章顯示從永磁容錯電機的基本設計原則入手，講述了其設計原則，接著講述了電機的結構設計，而其中又從設計的主要內容、電機的磁路設計、磁極的尺寸設計和電機的槽型參數設計這四個方面進行詳細的講解，最后對永磁容錯電機進行總結分析。

【關鍵詞】永磁容錯電機；磁路設計；尺寸設計；槽型參數設計；

電機以及控制系統的故障主要由電機本身的繞組開路、相間開路故障、匝間短路以及功率變換電路的短路故障與功率變換電路的開路故障所造成的，因此我們需要從電機結構以及電機控制系統這兩個方面進行相關的容錯設計。我們知道，傳統的永磁同步電機與開關磁阻電機兩者之間存在相互彌補的關系，因此我們需要把傳統的永磁同步電機與開關磁阻電機兩者的優點有機的結合起來，從而達到實現設計三相永磁容錯電機結構的目的。

一、永磁容錯電機設計的基本原則

可以看出，傳統的永磁同步電動機在處于故障情況下由于受各項繞組間的相互作用而沒有扭矩輸出，因為傳統的永磁同步電動機受到繞組之間相互作用的影響，這極大地妨礙了發動機的正常運行。由此可知，傳統的永磁同步電機不具備在處于故障時的轉矩輸出功能，所以系統運行的功能，穩定性和穩定性無法保證。為了解決這個問題，這方面的研究者提出了設計一個容錯永磁電動機這樣一個設想，即永久磁鐵耐引擎基于一個永磁同步電機，并且所述凹槽的尺寸和繞組結構被改變，從而來提供一個容錯效果【1】。而為了實現永磁容錯電機的容錯性能，容錯永磁電機可能會嘗試在兩個方面啟動：在第一側，當電機未能破壞正常相位時，必須最小化故障相的電機繞組。第二個方面，外殼設計用于即使在電機發生故障后也能確保穩定運行。上述的設計方案可以通過檢測錯誤并及時采取糾正措施或通過設置適當的容錯控制策略來實施解決方案，從而達到設計的目的。

二、三相永磁容錯電機的結構設計

（一）三相永磁容錯電機主要的設計內容

雖然在設計方面，三相永磁容錯電機與傳統的電機在很多方面存在著比較大的差異，但是三相永磁容錯電機與傳統的電機仍然在一些基本的設計內容上是有許多的相似性的，而永磁容錯電機在結構設計的設計內容方面則需要對電機磁路設計、電機主要尺寸設計、電機槽型參數以及定轉子軛部參數等內容方面進行詳細的設計分析。【2】

（二）電機磁路設計

電機的磁路設計，即對于所需求的磁場的實際要求來設計，也就是根據所需設計的磁場的實際需求，對永磁體的材料、磁極的尺寸以及磁極的形狀進行相對應的選擇，從而使永磁體的性能達到最大程度上的利用的效果，繼而使得磁路設計的合理性以及磁路設計的優質性得到最大程度上的實現，而其中關于永磁體材料的選擇：根據永磁體材料的選擇原則，將不同的永磁材料的性能參數進行相對應的對比、分析，比如永磁體材料為粘結式衫鈷永磁材料，該材料具有較強的抗退磁能力，而且可以得到較大的電機功率密度，除此之外，粘結式衫鈷永磁材料的最大使用溫度為350攝氏度，因此可以很好的滿足設計中對電機相對應的需求；在磁極性狀的確定方面：永磁電機的磁極與電勵磁電機的磁極是不相同的，永磁電機的磁極是永磁體，其磁路的形式多種多樣，根據永磁體的位置、永磁體安置的方式、永磁材料的種類以及永磁體的形狀等，可以將磁路分為很多種，例如根據安置方式的不同我們可以進行相對應的分類，將其分為內置式和表貼式兩類，而根據永磁體的形狀的不同可以分為環形磁極、爪形磁極、弧形磁極以及瓦片形磁極等類別，其中瓦片形磁極又由同心瓦片形磁極和等半徑瓦片形磁極這兩部分組合而成，等半徑瓦片形磁極同時可以稱之為離心式磁極。表貼式磁極具有可以增強繞組間的磁隔離能力，等半徑瓦片形磁極具有可以在很大程度上提高材料的利用率的優點，所以我們應該根據實際的需求選擇合理有效的永磁體。

（三）磁極的尺寸設計

永磁體磁化方向的寬度以及永磁體磁化方向的長度就是永磁體的主要的尺寸參數，在對永磁體磁化方向的寬度以及永磁體磁化方向的長度進行相對應的設計時我們需要考慮以下的一些因素：第一個因素是永磁體磁化方向的長度不可以過于小，否則這樣不僅會增加永磁體的生產成本，而且還會造成永磁體極易退磁；在第二個因素則是對永磁體磁化方向的長度進行相關的設計過程中，需要盡最大可能使永磁體工作于最佳狀態，這是因為在很大程度上永磁體的工作點是由自身的磁化方向長度所決定的；第三個因素則是由于永磁體的磁化方向寬度與永磁體提供的磁通的面積是緊密相連的，所以在對永磁體磁化方向寬度進行相關的設計過程中，要根據電機性能的要求對永磁體的磁化方向寬度進行針對性的調整措施。【3】

（四）電機槽型參數設計

發動機槽型的參數主要包括固定齒寬，孔寬度，槽的深度和孔的厚度。其中，就定子齒參數固定部分而言，定義了定子齒的最大磁場強度。通常，該值的取值范圍在1.4T和1.6T之間，然后在需要相關得到公式中替換定子齒的最大磁密度從而來確定定子齒寬。通常，固定定子齒的高度是固定定子齒寬度的1.5至3倍不等。在設計過程中，孔中的電流密度可用于連續地驗證定子齒的高度和定子齒的固定寬度之間的多重性。兩者之間連續多元驗證核實的目的是，如果倍數太大，則定子軛部的恒定飽和度極有可能是飽和的，進而造成電磁轉矩的減小。相反，如果倍數太小，那么繞組電流的電流密度就有可能超過安全值。因此，在三相永磁電機的設計過程中，損壞的安全電流密度值與電機的冷卻位置密切相關。因此，必須根據三級永久電阻的實際冷卻方法對繞組的實際安全電流密度取值進行針對性的選擇，從而確定線圈的實際電流。

根據已經確定的基本電磁參數，對電機進行相對應的設計，繼而使電機的永磁體尺寸、槽繞組參數以及定轉子尺寸等得以確定，在完成設計電機之后，再利用有限元軟件進行仿真，而仿真則從磁力線的分布、磁密的分布、繞組的電感、齒槽的轉矩以及空載反電動勢波形等方面進行，從而對達到對電機設計的合理性、有效性的驗證目的。【4】

三、小結

永磁容錯電機的控制比較復雜，對數字處理器的需求也很高。所以永磁容錯電機不僅具有相較于永磁同步電機功率密度大，以及效率較高的優點，而且具有很強的磁隔離和抑制短路電流的能力，同時它還具有比較高的容錯特性和可靠性質。不僅如此，它的系統的體積還很小，功率密度很高，而且容易實現模塊化。在永磁容錯電機的雙余度驅動技術融合容錯與余度的基礎上，比較容易實現。所以越來越多的人員開始對永磁容錯電機進行相關的研究，而且永磁容錯電機特殊的結構更促進其容錯性能，因此對三相永磁容錯電機的結構設計進行分析具有十分重要的意義。【5】 同時也可以預見，在永磁容錯電機的結構分析方面的前景將會是非常的廣闊。

參考文獻：

[1] 刁亮，朱景偉，宋榮遠.雙余度永磁容錯電機的直接轉矩控制策略研究[J].微電機，2013.46（11）：123-124.

[2] 王偉，程明，張邦富，朱瑛，丁石川.電流滯環型永磁同步電機驅動系統的相電流傳感器容錯控制[J].中國電機工程學報，2012，32（33）：135-136.

[3] 郝振洋，胡育文.電力作動器用高可靠性永磁容錯電機控制系統的設計及其試驗分析[J].航空學報，2013.34（1）：109-110.

[4] 朱俊.稀土永磁電機的應用現狀及其發展趨勢[J].中國重型裝備，2008.

[5] 黃蘇融；錢慧杰；張琪；謝國棟.現代永磁電機技術研究與應用開發[J].電機與控制應用，2007.

（作者單位：成都市西華大學 機械工程學院）