6/4結構磁通反向永磁電機設計及模擬

羅金桐 朱傳輝 梅從立 張國琴 彭濤 韓安太 姚瑋

(浙江水利水電學院電氣工程學院 浙江杭州 310018)

隨著我國科技水平的不斷發展與進步，國家戰略稀土資源的開發成本不斷降低，回收利用率也逐步提高。永磁體材料應用范圍的不斷擴張和電力電子技術的不斷進步，使得永磁體成本有了本質上的降低，永磁電機的領域和應用有了更為廣闊的市場。永磁無刷電機根據永磁體布置位置可分為定子永磁型電機和轉子永磁型電機[1-3]。永磁電機可以分為以下幾種：同步電機、直流電機、磁阻電機和特種電機[4]。由無刷直流電機[5]和開關磁阻電機可以結合一種新型的定子永磁型無刷電機[6]。將永磁體安裝在電機定子軛部，且繞組纏繞于定子軛之間，而轉子側既沒有永磁體也不布置勵磁繞組，當轉子齒轉動經過永磁體時，通過轉子齒部所形成磁通方向交替出現，即形成了磁通切換電機和磁通反向電機[7]。

傳統的永磁型電機磁場包括兩個部分，即位于定子側的繞組勵磁磁場和位于轉子側的永磁體磁場。但在實際工作過程中，由于轉子的高轉速摩擦空氣而產生的熱量，無法快速散去，使永磁體溫度過高，較高的溫度會增加永磁體的高溫失磁風險，因此在電機設計時，不能根據實際用途而增加電機的功率密度，限制了其發展空間；永磁電機的固有缺陷即：不足的轉子機械強度使得電機的可靠性進一步下降；尤其在故障狀態下，帶載能力明顯不足，應對突發事件能力明顯不足[8-9]；磁通反向永磁（FRPM）電機與永磁體表貼式電機的結構類似，它的磁力線分布在氣隙之中[10]，同時也是一種定子永磁型電機，在定子內側上面安裝永磁體，使安裝工藝和制作成本大為降低，更能有效降低電機氣隙長度，提高功率密度[11]。此外，永磁體產生的熱量可以通過定子鐵心直接傳送到機殼，散熱便利，有益于提高電流密度[12-13]。該文討論了磁通反向永磁電機的基本原理，以磁通反向為特點對電機進行了設計，對電機定子和轉子的結構、永磁體布置方式、磁場的分布、相關參數的確定等進行了研究和仿真模擬。

1 基本結構與工作原理

FRPM電機的組成包括定子、永磁體、轉子及繞組等結構，其中永磁體被安裝在定子的齒部，與轉子的齒端有一定的空隙，形成了氣隙，具體見圖1。根據相鄰永磁對應端磁極的不同，FRPM 電機的永磁體布置方式有兩種：第一種是相鄰永磁體的對應端磁極為同磁極（同為“N”極或同為“S”極），見圖1（a）；第二種布置方式為相鄰永磁體的對應端磁極為異磁極（“N”極和“S”極成對出現），見圖1（b）。當同一轉子齒轉過一個永磁體時，穿過轉子齒的磁通方向會發生變化，永磁磁通剛好反向，因此也就有了磁通反向的概念。無論何種充磁方式，當轉子旋轉時，都會引起線圈中的永磁磁通變化，進而產生感應電動勢[8-9]。

圖1 FRPM電機基本拓撲結構

2 磁通反向電機的設計和分析

2.1 槽極配比的選擇

FRPM 電機的永磁體安裝位置為定子的齒部，因此定子齒的數量即為永磁個數，由于磁通反向的充磁特點以及綜合文獻分析，該設計選擇定子齒數量為6，即對應的槽數和永磁體個數均為6。由于轉子齒對應于永磁體的布置特點，因此選擇轉子齒為4個，形成了6/4結構的FRPM電機。定子上有集中繞組，轉子上沒有繞組。電機定子的外徑設置為138 mm，定子內徑為76 mm，永磁體厚度3 mm。該定子為6槽結構，用相隔60°排列方式排布，永磁體安裝在定子面向的氣隙側。永磁體材料為釹鐵硼，該材料具有同等材料用量可提供更大的轉矩，轉子齒按照間隔90°來排布，轉子外徑75 mm，轉子內徑30 mm，疊長100 mm。

2.2 氣隙尺寸設計

FRPM 電機的氣隙是永磁體與轉子之間的位置，它的大小是由電機的裝配設計估算所決定的，氣隙過大會導致漏磁較多，過小又會導致磁飽和較強同時也會增加永磁體與轉子之間摩擦的概率。只有當氣隙被控制在一個較為合理的數值時，才會使得電機的效率最大化并且也不影響工藝水平。

在小容量的電機中，氣隙太大了漏磁多、太小了在高速旋轉的過程中容易掃到定子壁，造成磨損影響電機壽命。通過不斷地進行仿真試驗，最終得出當氣隙為0.5 mm 時，電機效率最高。因此，在該設計中氣隙為0.5 mm。

2.3 永磁體充磁設置

基于永磁體布置時形成的磁通反向的特點，永磁體位于定子槽側的充磁方向相同，當轉子由靜止發生運動時，永磁體發出的磁通穿過氣隙進入定子的線圈繞組；當轉子轉過一定的角度的時候，永磁體磁通變成相反的方向，則磁通離開線圈，穿過氣隙沿著垂直氣隙的方向進入轉子。

3 結果與分析

3.1 電機靜態磁場分析

為進一步仿真分析電機電樞對電機性能的影響，仿真出了達到穩定狀態時電機的磁通密度，圖2 為靜態磁密分布圖，從中可以看出在穩態時磁密的分布主要都在定子的軛部和轉子的齒部。圖3為靜態磁鏈的分布圖，從中可以看出有限元仿真得到雙極性變化的磁鏈在繞組中感應出反電動勢，因為永磁體排布分布中就會出現磁通反向。通過對比分析可知，穩態狀態下，電機內部的磁密和磁鏈在定子軛部和轉子的齒部集中且均勻地分布。

圖2 靜態磁密分布

圖3 靜態磁鏈分布

3.2 轉子角度與電流的關系

圖4 為電感跟轉子角度與電流的關系，可以看成是一個向下的拋物線結構，當轉子角度為30°時，則是一個拐點，此時電感最大。而在左側則電感隨轉子角度的減少而增加，在右側隨轉子角度的增大而減少。圖5為轉子角度、電流、磁鏈的相互關系，從圖5可以看到有兩個拐點，當拐點為40°時，此時磁鏈最小。10°的時磁鏈最大，變化周期為60°，經過分析可能因為定子上的永磁體的排列也是按照相隔60°來排列的。

圖6為轉子角度和電流大小對轉矩的影響。當轉子角度為30°時，轉子磁極與定子A相磁極重合電感最大，當30°～60°時電感逐漸降低。磁鏈在30°與60°處于整個磁場中度水平，轉矩在30°和60°時出現了峰值轉矩，60°為轉矩與B相定子磁極重合。

圖6 轉子角度和電流大小對轉矩的影響

3.3 極弧系數的敏感性分析

設定電流為定值6 A，轉子極弧系數brr 由0.3～0.6、定子極弧系數err 由0.5～0.65。通常，極弧系數的大小與氣隙磁通密度的分布情況有關，一般需在理論的基礎上再去選擇一個經驗值，該設計在極弧系數的0.5～0.7的范圍內，選擇了0.5、0.55、0.6、0.65這4個數值進行仿真驗算，當極弧系數為0.65 時，表現最好（平定波輸出）。在選定的4 個數值中，電流為常量，磁通隨著極弧系數的不斷增長而變大。隨著電機輸出變大極弧系數也會變大，這時會出現一個飽和點，使磁鏈不再隨極弧系數的增大而增大。

4 結語

基于開關磁阻電機的雙凸極結構，永磁體布置在定子齒上，每個齒上分為N、S兩個充磁方向，分別對電機靜態磁密分布情況以及磁鏈分布進行了仿真和分析，基于無刷電機以及開關磁阻電機的結構和工作特點，設計了FRPM 電機。采用6/4 雙凸極結構的FRPM電機，定子內徑為76 mm，永磁體厚度為3 mm，轉子外徑為75 mm，氣隙尺寸為0.5 mm，極弧系數為0.65。結果顯示：穩態狀態下，定子軛部和轉子齒部集中且均勻的分布著磁密和磁鏈；轉子角度在0°～30°區間，電感隨電流的增加逐漸增加，且在30°的時電感最大。