洗衣機用永磁同步電機轉(zhuǎn)子結構的電磁設計和分析對比

張 旭 林明耀

（東南大學 電氣工程學院 南京 210096）

引言

變頻器供電的永磁同步電機和轉(zhuǎn)子位置矢量閉環(huán)控制算法配合，不僅具備普通直流電機的優(yōu)異調(diào)速性能，最重要的是實現(xiàn)了無刷化，提高了電機的使用壽命，降低了維修成本。這使PMSM在需要高控制精度和高可靠性的場合[1]，如航空航天、數(shù)控機床、機器人、電動汽車、計算機外圍設備和家用電器等方面有著巨大應用前景。

表貼式永磁轉(zhuǎn)子是最常見的一種轉(zhuǎn)子結構，這主要是由于這種易于生產(chǎn)裝配、成本低，同時可以通過優(yōu)化設計磁鋼形狀，生成逼近正弦波形的氣隙磁場。表貼式永磁轉(zhuǎn)子的局限在于其隱極結構，不具備利用磁阻轉(zhuǎn)矩的條件，同時聚磁能力較弱，難以提升其轉(zhuǎn)矩密度。內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子的磁鋼固定在鐵心中，由于磁鋼不正對磁場，抗退磁能力較強，同時由于其凸極結構，可以利用磁阻轉(zhuǎn)矩。傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子的局限在于無法避免漏磁問題，采用隔磁橋本質(zhì)上是通過損失部分聚磁能力，在隔磁橋飽和后來形成較大磁阻。顯然，隔磁橋?qū)挾扰c限制漏磁的能力成反比，但是隔磁橋?qū)挾热绻^小，轉(zhuǎn)子的機械強度無法得到保證，所以目前隔磁橋的子的漏磁系數(shù)仍難以減小。

因此，本文提出來了一種利用非鐵磁部件固定永磁和鐵心的新型拼接式轉(zhuǎn)子，并與傳統(tǒng)表貼式永磁轉(zhuǎn)子和內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子電機的電磁性能進行比較分析。

1 拼接式轉(zhuǎn)子基本結構

圖 1(a) 所示為護套式內(nèi)置永磁轉(zhuǎn)子，采用獨立鐵心，將非磁性軸套外套在軸承上，在轉(zhuǎn)子最外側用高強度護套固定鐵心和磁鋼。最外側的護套在裝配時采取過盈配合，因此在護套固定下的鐵心和磁鋼在高速旋轉(zhuǎn)時也時刻處于壓緊的狀態(tài)，具備一定的機械可靠性。護套式轉(zhuǎn)子的局限在于護套增大了電機的等效氣隙，轉(zhuǎn)子磁場強度受限。如果要彌補氣隙的變大，就需要更多的磁鋼用量，增加了成本。圖1(b) 所示為槽楔式內(nèi)置永磁轉(zhuǎn)子，這種結構也采用分塊鐵心和非磁性軸套。同時為了替代轉(zhuǎn)子外側的護套，這種結構用梯形截面的槽楔將獨立鐵心和磁鋼定位。雖然這種槽楔式內(nèi)置永磁轉(zhuǎn)子與前者相比，沒有增加氣隙的等效厚度，但是槽楔與鐵心的接觸面應力很大，轉(zhuǎn)子的可靠性不如前者，通常應用在轉(zhuǎn)速較低的場合。

2 電機主要尺寸設計與有限元模型

2.1 電機的主要尺寸計算

徑向永磁電機的主要尺寸計算公式為[2]：

式中：

Pe—電機的額定功率；

KB—氣隙磁場波形因數(shù)，對于正弦分布的氣隙磁場來說，KB=1.11，為定子內(nèi)徑；

l—鐵心疊長；

Kw—電機的繞組因數(shù)；

Aav—電機的平均電負荷：

Bδ—氣隙磁密的最大值。

圖1 拼接式轉(zhuǎn)子結構

表1 洗衣機用永磁同步電機設計參數(shù)

圖2 3種永磁同步電機模型

圖3 不同氣隙長度下電機的轉(zhuǎn)矩圖

2.2 電機的有限元模型

根據(jù)上節(jié)的主要尺寸公式，計算得到電機的主要設計參數(shù)如表1所示。

利用ANSYS Maxwell軟件搭建的三種不同轉(zhuǎn)子結構電機的二維模型如圖2所示電機模型，圖中的箭頭方向為實際永磁體的充磁方向。

3 電機參數(shù)對性能的影響

3.1 氣隙長度對電機性能的影響

電機的氣隙長度是決定轉(zhuǎn)矩大小和轉(zhuǎn)矩脈動的重要物理量，圖3給出了不同氣隙長度下，電機的轉(zhuǎn)矩圖，圖4給出了了和轉(zhuǎn)矩脈動對氣隙變化的敏感性。表2給出了不同氣隙長度的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動的具體數(shù)值。

拼接式永磁同步電機通的電流峰值是1.54 A，表貼式永磁同步電機和spoke型永磁同步電機通的電流峰值是1.785 A，這是因為拼接式轉(zhuǎn)子磁場強，為了便于與其它兩種轉(zhuǎn)子進行比較，而有意降低了電流。

從圖4可以看出，拼接式永磁同步電機和spoke型永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩脈動對氣隙長度較為敏感，隨氣隙變大而迅速下降，表貼式的反應則較為遲鈍。

表2 氣隙長度對電機性能的影響

圖4 轉(zhuǎn)矩脈動隨氣隙的變化

表3 磁鋼厚度對電機性能的影響

3.2 永磁厚度對電機性能的影響

為了提高材料利用率及電機的轉(zhuǎn)矩密度，在保持其他條件不變的前提下，研究磁鋼厚度對電機輸出轉(zhuǎn)矩的影響。仿真結果如表3所示。

從表3中可以看出，隨著磁鋼厚度的增加，表貼式轉(zhuǎn)子的磁鋼厚度增加時，而轉(zhuǎn)矩脈動變化較大，而轉(zhuǎn)矩大小變化遲鈍。拼接式的轉(zhuǎn)矩大小對磁鋼厚度變化較為敏感，因為拼接式結構聚磁能力較強，可以更好地捕捉到磁鋼的變化。Spoke結構的轉(zhuǎn)矩大小和脈動則對磁鋼厚度的變化均表現(xiàn)得較遲鈍。

4 結論

本文研究了3種永磁同步電機轉(zhuǎn)子結構，即表貼式徑向充磁、spoke型內(nèi)置切向充磁式和拼接式永磁同步電機，利用參數(shù)化掃描分析三種結構的轉(zhuǎn)矩脈動以及轉(zhuǎn)矩密度與氣隙長度和磁鋼厚度的關系。仿真結果表明，拼接式轉(zhuǎn)子結構永磁同步電機能有效提高磁鋼利用率，增加轉(zhuǎn)矩密度,降低轉(zhuǎn)矩脈動。