永磁電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子不等高對(duì)電機(jī)性能影響研究

任麗君 李 寧 李祖光

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

近年來(lái)，永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠，體積小，重量輕。損耗少，效率高，電機(jī)外形尺寸和形狀靈活多樣等特點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)多采用轉(zhuǎn)子式永磁結(jié)構(gòu)，為滿足不同場(chǎng)合應(yīng)用情況的需要，轉(zhuǎn)子型永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)靈活多樣，根據(jù)永磁體的位置不同，通常分為表貼式、Halbach式和內(nèi)嵌式3種[2]形式。而為了保證電機(jī)的工作性能及提供霍爾位置感應(yīng)磁場(chǎng)，一般將電機(jī)的轉(zhuǎn)子的軸向高度大于定子鐵芯的軸向高度。現(xiàn)有的方法雖然滿足了電機(jī)工作性能、位置感應(yīng)的設(shè)計(jì)要求；但是，定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯之間的位置差對(duì)電機(jī)性能影響需進(jìn)一步分析研究：

1）轉(zhuǎn)子的軸向端面與定子的軸向端面距離較大，使得從轉(zhuǎn)子的電樞上匯集到定子鐵芯上的磁通量較少；而當(dāng)定子的厚度較大時(shí)，又會(huì)使得定子的磁密和材料利用率較低；

2）定子、轉(zhuǎn)子及永磁體之間高度差對(duì)永磁同步電機(jī)性能影響特性；

3）采用Ansoft傳統(tǒng)3D仿真方法分析，工作量大，影響分析效率，需優(yōu)化評(píng)估方法。

為進(jìn)一步快速研究了解定轉(zhuǎn)子高度差對(duì)電機(jī)性能的影響。特提出一種新的驗(yàn)證分析方法。通過(guò)簡(jiǎn)單的仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，簡(jiǎn)單得出現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上性能提升的可行性及方法。

1 研究方法與模型

本文提出一種新的簡(jiǎn)化評(píng)估方法，可通過(guò)簡(jiǎn)化的2D仿真模型達(dá)到快速評(píng)估定轉(zhuǎn)子不等高對(duì)性能的預(yù)估，解決現(xiàn)有通過(guò)3D的仿真方法工作量大的問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)化模型評(píng)估方法，對(duì)定子高度、轉(zhuǎn)子高度分別進(jìn)行掃描仿真，分析、挖掘電機(jī)性能提升的一些方法。

1.1 研究方法

永磁同步電機(jī)性能指標(biāo)與其交直軸電感有密切的關(guān)系，直軸電感會(huì)影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩幅值和電機(jī)的失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，同時(shí)，交軸和直軸之間的電感之差越大會(huì)使得電磁轉(zhuǎn)矩中的磁阻轉(zhuǎn)矩的幅值越高，從而使電機(jī)的功率密度以及其能夠承受載荷的能力相對(duì)有所提高[3]。且永磁同步電機(jī)在很多應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)精度要求很高，因此為了更精確的控制電機(jī)，有必要掌握定子內(nèi)圓圓度對(duì)電感參數(shù)的影響規(guī)律[4]。電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算按下公式（1）進(jìn)行對(duì)應(yīng)參數(shù)下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算，運(yùn)用該式計(jì)算時(shí)，忽略了磁路飽和對(duì)永磁轉(zhuǎn)矩的影響：

式中：

p—電機(jī)極對(duì)數(shù)，

ψf—線磁鏈有效值，

id、iq—直軸、交軸電流。

當(dāng)繞組電流為i，功率角為θ時(shí)計(jì)算時(shí)可按以下進(jìn)行：

轉(zhuǎn)子高于定子時(shí)，轉(zhuǎn)子端面附近的磁場(chǎng)可通過(guò)繞組端部與定子交鏈，與定轉(zhuǎn)子等疊高時(shí)相比，定子交鏈的磁通增加，可等效認(rèn)為氣隙磁場(chǎng)增強(qiáng)。該方案可在永磁體性能較為有限的情況下提升轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，在永磁直流無(wú)刷電機(jī)中已廣泛使用。

電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩主要包括以下兩方面：電磁轉(zhuǎn)矩，由定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生，電磁轉(zhuǎn)矩大小與定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的乘積有關(guān)；磁阻轉(zhuǎn)矩，磁阻轉(zhuǎn)矩由于交、直軸磁路不對(duì)稱產(chǎn)生，電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)確定時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩主要取決于交軸磁路的飽和程度。

與定、轉(zhuǎn)子等高時(shí)相比，不等高方案電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)增強(qiáng)，電機(jī)輸出能力增強(qiáng)。另外，采用不等高方案時(shí)定子磁密較等高方案時(shí)有所增加，需注意考慮定子的飽和情況。

通過(guò)不等高結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，并影響電機(jī)輸出能力。

1.2 研究模型

根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)將電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為2D等效模型，對(duì)模型進(jìn)行分解，采用坐標(biāo)掃描仿真，實(shí)現(xiàn)不同定子鐵芯、永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯高度的仿真。

電機(jī)模型等效評(píng)估簡(jiǎn)化圖如圖 1。

圖1 模型簡(jiǎn)化思路

電機(jī)等效簡(jiǎn)化2D模型結(jié)構(gòu)介紹如圖2，性能對(duì)比主要采集定轉(zhuǎn)子鐵芯連接處磁密變化，用于等效判斷對(duì)性能的影響。

圖2 等效簡(jiǎn)化2D模型結(jié)構(gòu)

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 仿真

為了評(píng)估定子鐵芯、永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯三者間高度配合對(duì)電機(jī)性能影響，總結(jié)相關(guān)變化方向，模型初始設(shè)計(jì)定子鐵芯、永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯高度相同，并分別按以下方法進(jìn)行掃描仿真，對(duì)比。

2.1.1 固定兩個(gè)參數(shù)，對(duì)另一個(gè)掃描

1）永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯高度一定，增大定子鐵芯高度

永磁體與轉(zhuǎn)子鐵芯高度一定，對(duì)定子鐵芯高度進(jìn)行參數(shù)化掃描，依次為初始疊高的1～1.5倍，對(duì)應(yīng)磁密變化如表1。

表1 磁密變化表-定子變化

通過(guò)對(duì)定子鐵芯高度參數(shù)化掃描，高度變化1.5倍時(shí)對(duì)磁密影響很小（0.45 %）。因此，當(dāng)永磁體與轉(zhuǎn)子鐵芯高度一定時(shí)，只增大定子鐵芯高度對(duì)電機(jī)性能影響不大。

2）定子鐵芯、永磁體高度一定，增大轉(zhuǎn)子鐵芯高度

永磁體與定子鐵芯高度一定，對(duì)轉(zhuǎn)子鐵芯高度進(jìn)行參數(shù)化掃描，依次為初始疊高的1～1.5倍，對(duì)應(yīng)磁密變化如表2。

表2 磁密變化表-轉(zhuǎn)子變化

通過(guò)對(duì)定子鐵芯高度參數(shù)化掃描，高度變化時(shí)（1.5倍）對(duì)磁密影響很小（0.38 %）。因此，當(dāng)永磁體與定子鐵芯高度一定時(shí)，只增大轉(zhuǎn)子鐵芯高度對(duì)電機(jī)性能影響不大。

3）定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯高度一定，增大永磁體高度

定子鐵芯與轉(zhuǎn)子鐵芯高度一定，對(duì)永磁體高度進(jìn)行參數(shù)化掃描，依次為初始疊高的1～2.9倍，對(duì)應(yīng)磁密變化如表3。

表3 磁密變化表-永磁體變化

通過(guò)對(duì)永磁體高度參數(shù)化掃描，永磁體高度變化對(duì)磁密影響很大，高度變化2倍時(shí)磁密增大47.14 %。因此，當(dāng)定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯高度一定時(shí)，增大永磁體高度對(duì)電機(jī)性能影響很大，但隨著永磁體高度增加2.5倍后，磁密增大幅度逐漸趨于平緩。

通過(guò)上述仿真分析可知，增加永磁體高度、同時(shí)增加永磁體與定子鐵芯或轉(zhuǎn)子鐵芯高度，均能夠?qū)π阅苡兴嵘Ｄ壳坝来烹姍C(jī)多數(shù)永磁體高度大于定轉(zhuǎn)子鐵芯高度、定轉(zhuǎn)子鐵芯等高結(jié)構(gòu)，根據(jù)上述分析，提升定子鐵芯或轉(zhuǎn)子鐵芯高度應(yīng)能夠?qū)﹄姍C(jī)性能有所提升。但定子鐵芯如增加高度除了成本增加外鐵芯利用率也相對(duì)降低，為實(shí)現(xiàn)定子鐵芯實(shí)現(xiàn)整體高度同時(shí)又能提升性能，評(píng)估只增加定子極靴高度對(duì)性能影響。簡(jiǎn)化模型如圖3。

圖3 增加極靴簡(jiǎn)化模型

對(duì)比轉(zhuǎn)子鐵芯高度一定，同時(shí)增大永磁體與定子鐵芯極靴高度對(duì)性能的提升比例與增加定子鐵芯與永磁體高度基本等同，對(duì)應(yīng)磁密變化如表4。

表4 磁密變化表

2.2 實(shí)驗(yàn)與計(jì)算

本文將以下面這三個(gè)樣機(jī)為例對(duì)定轉(zhuǎn)子不等高結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)的性能的影響進(jìn)行分析：

方案1：定子疊高 30轉(zhuǎn)子疊高30；

方案2：定子疊高30轉(zhuǎn)子疊高42（不等疊高方案）；

方案3：定子疊高 38轉(zhuǎn)子疊高38（對(duì)照方案）。

樣機(jī)圖片見圖4，測(cè)試設(shè)備圖片見圖5。從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)上看（如表5），樣機(jī)實(shí)測(cè)參數(shù)與仿真預(yù)估一致：采用不等疊高結(jié)構(gòu)有利于增加電機(jī)氣隙磁場(chǎng)。方案1、2的磁鏈、反電勢(shì)數(shù)據(jù)說(shuō)明，在定子高度不變時(shí)，將轉(zhuǎn)子（永磁體）高度由30提升至42對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)提升明顯，有利于電機(jī)性能的提升。而方案3與方案1對(duì)比，高度的增加進(jìn)一步提升性能，但需同步考慮增加了電機(jī)磁路的飽和程度，與定子不飽和時(shí)相比，電機(jī)輸出受到影響。

圖4 樣機(jī)圖片

圖5 測(cè)試設(shè)備圖片

表5 測(cè)試結(jié)果

采用公式（1）進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性的計(jì)算，固定銅耗10 W的情況下，計(jì)算數(shù)據(jù)如表6。

表6 電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性

從以上實(shí)測(cè)分析可以看出，采用定轉(zhuǎn)子不等高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)增強(qiáng)顯著，有利于電機(jī)性能的提升。但是與定轉(zhuǎn)子等高結(jié)構(gòu)相比，采用不等高結(jié)構(gòu)時(shí)由于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)增強(qiáng)，電機(jī)磁密、有所增加，對(duì)電機(jī)的影響按電機(jī)飽和程度分析如下：

1）當(dāng)磁路飽和程度較低時(shí)（主要體現(xiàn)在空載氣隙磁密較低，負(fù)載定子磁密遠(yuǎn)離鐵心磁化曲線膝部），采用定轉(zhuǎn)子不等高結(jié)構(gòu)后定子一般還處于不飽和狀態(tài)。由于采用不等高定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時(shí)由于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)增強(qiáng)，與定轉(zhuǎn)子等高結(jié)構(gòu)相比，電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力提升，因此通過(guò)定轉(zhuǎn)子不等高的結(jié)構(gòu)形式可有效提升電機(jī)性能。

2）當(dāng)磁路飽和程度較高時(shí)，采用定轉(zhuǎn)子不等高結(jié)構(gòu)會(huì)加劇磁路飽和程度，電機(jī)性能提升不大甚至可能反而有所下降。磁路飽和程度較高時(shí)，如采用定轉(zhuǎn)子等高結(jié)構(gòu)，一方面轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)增強(qiáng)，有利于電機(jī)性能增加，另一方面，磁路飽和程度增加，產(chǎn)生相同定子磁場(chǎng)時(shí)所需繞組電流變大，同時(shí)交、直軸磁阻差變小，不利于永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩的輸出。

3 結(jié)論

1）本文根據(jù)Ansoft 建模理論及電機(jī)結(jié)構(gòu)，提出一種簡(jiǎn)化2D模型，通過(guò)簡(jiǎn)化的2D仿真模型達(dá)到快速評(píng)估定轉(zhuǎn)子不等高對(duì)性能分析的方法。解決現(xiàn)有通過(guò)3D的仿真方法工作量大的問(wèn)題。

2）通過(guò)仿真與電機(jī)實(shí)際測(cè)試及計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了定轉(zhuǎn)子高度差對(duì)性能的影響情況，并進(jìn)一步驗(yàn)證2D簡(jiǎn)化模型評(píng)估的可行性及正確性。

3）采用定轉(zhuǎn)子不等高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮電機(jī)磁路的飽和程度，當(dāng)飽和程度較低時(shí)通過(guò)定轉(zhuǎn)子不等高結(jié)構(gòu)對(duì)提升電機(jī)性能有很大幫助。對(duì)于以磁阻轉(zhuǎn)矩作為主要輸出的永磁電機(jī)，采用不等高結(jié)構(gòu)會(huì)增加磁路飽和程度，對(duì)磁阻轉(zhuǎn)矩有影響。

4）定子鐵芯采用增加極靴高度對(duì)性能提升與定子鐵芯整體增加等同且增加極靴方法能夠提升性能同時(shí)提高材料利用率。