永磁無刷高速電機的電磁性能研究

張 玉

（珠海凱邦電機制造有限公司，廣東 珠海 519110）

隨著節能、低碳排放和減排成為世界各國普遍重視的熱點問題，電動汽車獲得了創新性發展。關于電動汽車的電機，與其他類型電機相比，永磁直流無刷電機擁有體積小、質量輕、效率高等明顯優點，作為驅動電動機被廣泛應用在電動汽車上[1]。隨著我國人民經濟、物質和文化生活水平的進一步提高，家用電器、工業應用機器人等電器設備也朝著高效率化、小型化和智能化的方向快速發展，無刷電機以其節能、高效的優勢順應了今天節能的時代主題[2]。

永磁無刷電機具有系統結構簡單、調速區間范圍寬、無勵磁損耗、功率因數高且效率高等突出優點，由于永磁電機氣隙較大，因此永磁無刷電機尤其適宜應用于高速場合[3]。但永磁無刷高速電機還是存在很多問題，例如其基本結構的設計和性能影響分析，而如何有效降低電機轉子損耗和轉矩脈動，是一個非常有必要研究的問題。

1 高速永磁無刷電動機結構設計

1.1 電機結構和基本參數設計

電機基本上由2 個部分組成，即控制定子和驅動轉子。一個設計良好的轉子可以直接支撐未滿足的扭矩，成為有用的驅動力，從而最大限度地發揮電機的作用。此類定子選用2 層繞組時，應使其盡可能短，以減少確定關系的功率，提高系統工作性能。然而，這會降低繞組的電勢。該文電機模型中的繞組有一個重要的節距，節距為3。高速電機極數較少，通常可以設計為二極或四極。與二極電機相比，四極電機的定子繞組端部較短，平均半匝長度和軸長也較短。因此，該文建立的電機模型采用四極電機。

1.2 轉子設計

1.2.1 轉子的結構設計

轉子的結構可以分為3 種，如圖1 所示。將永磁體的材料全部做成一個圓柱形，通過干擾和矯頑力，永磁體被一層高強度、非磁性金屬護套完全包裹起來。從圖1 中可以清楚地看出，在實際運行中，該系統無法傳遞扭矩，因為其沒有連接軸和轉子輪轂。因此，需要將永磁體的護套與芯片、連接件焊接在一起以傳遞扭矩。永磁體通常采用全磁結構來制造磁場，具有良好的電磁和電磁機械對稱特性。

圖1 轉子的3 種結構

具有表貼式結構的永磁轉子側視圖如圖2 所示。文獻[4]設計的永磁樣機就是采用該類型的轉子分塊結構，并針對永磁體的轉子分塊及其充磁處理方法、不同轉子間能量與磁損耗的相互作用和影響進行了深入研究。

圖2 實心永磁體結構轉子側視圖

圖3 永磁體表貼結構轉子側視圖

雖然永磁模型和表面貼裝永磁模型都具有對稱性好、材質好的優點，但永磁體能承受的拉伸強度和應力可能較小（<80MPa）。由于較大的電磁離心力會導致永磁體結構快速旋轉，因此需要添加額外的安全層來保護永磁體。保護永磁體的方法如下：1）將碳纖維或磁性玻璃絲直接粘合在永磁體上。2）做防護套。將具有高密度且不導電的高磁性復合金屬放在永磁體周圍。碳纖維材料捆扎的膠帶外層厚度相對較小，并且碳纖維材料不易導電，不會引起高頻渦流，造成巨大損耗，并且碳纖維材料不易降溫，永磁體轉子不會快速冷卻，因此能更好地實現屏蔽轉子諧波的主要目標。通常要求在金屬外殼和導線的結合處安裝銅屏蔽層。雖然非導磁金屬殼本身不僅易導電，還可以有效屏蔽二次諧波，減少其渦流損耗，便于永磁體轉子快速降溫，但是非導磁護套采用的金屬材料費用較高。

1.2.2 選擇極數

傳輸頻率增加會導致電機定子線損增加，因此需要減小磁場差異，才能有效減少電機定子線損。然而，高速電機的極數較少，一般情況下，可以考慮采用帶有兩極或四極的定子，二者各具優、缺點。與四極轉子相比，兩極轉子構造簡潔，容易設計、生產，強度也有保證，其定子的鐵耗也較小。主要缺陷是兩極結構電機在繞組末端的長度遠超四極電機，并且所需定子鐵心的軛部面積較大。該文采用容易設計、鐵耗小的兩極轉子。

1.2.3 定子設計

1.2.3.1 定子結構設計

無槽結構取消了傳統的齒槽結構，其優點為可降低電機上的鐵耗。開槽結構的N 極和S 極間的漏磁差異較小，并且繞組與外定子電源的外電流表面間的熱接觸溫度較高，耐熱耗散。散熱方式對繞組和轉子非常重要。

1.2.3.2 選擇定子槽數

無刷電機的轉速較高，設計時選用兩極24 槽的定子槽數，原因是其繞組流過的電流發生的諧波含量比其他槽數的小。每12 個繞組在一個級數下，并且4 個槽為一相。因此該文選擇兩極24 槽，其參數均能達到無刷電機的要求，可減少電機的總體長度，并具有經濟性。

前不久，一家地處江蘇省由日本企業投資的生物重金屬吸附劑生產線正式投產，產品走向國際市場，而支撐起這一產品的原材料，正是“中黃麻4號”。

1.2.4 主要尺寸確定

電機的主要尺寸與其計算功率、轉速以及電磁動力學的負荷等因素有關，如公式（1）所示。

式中：DiL為定子內徑（mm）；l為計算長度（mm）；nN為額定轉速（r/min）；p'為計算功率（W）；αp為計算極弧系數，αp=0.657；kφ為氣隙磁場波形系數，正弦波磁場取1.11；kw為基波繞組系數，對集中繞組來說為0.5；B0為氣隙磁密幅值（T）；A為電負荷有效值（A/m）。

電機的氣隙不能設計得太小，否則會使轉子與定子發生接觸，造成轉子損壞。電機的運行性能取決于齒槽轉矩。永磁電機運行效率降低的原因可能是轉子的損耗過大，這對永磁電機非常不利。無刷電機的設計需要選用合適的空間和氣隙，否則將會直接影響電機工作的性能和機械的可靠性。

1.2.5 電機繞組設計

電機繞組設計的相關參數見表1。在電機設計中，最重要的部分是電機的繞組設計，也用于測量電機性能強弱。電機定子繞組采用同心式，其關鍵目的是減少電機銅芯線總數，節約電機成本，采用同心繞組可以提高該文設計方案無刷電機的性能。其優點是電氣機構采用正弦函數繞組，無刷電機的電流波形可以有較大程度的改善。

表1 電機繞組參數

Y3 型連接為電機外接電源電路的連接類型。主要考慮的是電機功率較大，在運行過程中容易產生較大電場，會導致同步電機繞組傳熱過多，必須加以防備。因此選擇的連接類型是Y3 連接。

2 高速永磁無刷電機的仿真建模

2.1 有限元方法概述

有限元分析化學方程式可分為Gayogin 法和Rise 法。由子域匯總分開所有連續域，該文將未知因變量直接顯示在具有未知系數插值函數的字段中，從而分散電磁場以獲得相似的代數方程組。耦合解后可以形成電磁場的函數解。有限元法已經被相關專家驗證，拉普拉斯和泊松方程式說明的是在微分方程里解釋的場，并解決了一系列電磁問題，如非線性場、時間場等。

2.2 無刷電機參數確定

該文電機工作方式為三相星型全控橋，結構為電機內轉子、外定子。該文電機轉子磁化方法的繞組為2 層。電機基本參數見表2。

表2 電機主要參數

2.3 永磁無刷高速電機的建模與仿真

通過對電機進行建模與仿真，來檢查設計是否正確，其定、轉子各參數指標是否達到標準。采用ANSYS Maxwell建立2 維模型，輸入確定好的無刷電機參數，進行相應的電磁性能仿真。其電機模型和網格劃分如圖4 所示。添加邊界條件，并建立電路模型，實現場路耦合。在該文的仿真中，由于磁力線幾乎不超過轉子外電弧的邊界，因此該文進行了等效處理：在轉子外弧設定Dirichlet 邊界條件，設置為零的轉子外弧在所有節點的自由度。該模型為實際電機的十分之一，因此必須在2 個半徑上設置循環邊界條件。為了使這2 個邊具有對應同步節點的數量和一個位置，2 個邊必須由對應節點組合。將線圈繞組與外部電路連接，并創建對應的電路。根據轉子位置的變化，在電路中打開6 個開關。

圖4 電機模型和網格劃分

3 永磁無刷高速電機的電磁性能分析

3.1 磁場分析

麥克斯韋方程是電機磁場科學研究的理論基礎。將定子電流參數全部設置為0，只剩下永磁體發生作用。通過分析永磁體嵌入式無刷直流電機的磁場，可以計算出空載狀態下機體磁場的大小、分布和方向，從中了解磁場飽和方法。由磁力線分布情況可以看出，電機整體結構的磁力線分布是比較均勻的，證明電機結構中幾乎不存在漏磁現象。

3.2 電機空載特性仿真

3.2.1 空載氣隙磁密分析

從仿真結果可以看出，電機在60°的機械角度內有2 個磁密波峰。內部的半徑為50mm，水平坐標為0mm～60mm。在徑向上，轉子內、外直徑附近的氣隙磁通密度較低，中間半徑附近的氣隙磁密較高，整體上有先提高、后降低的趨勢。其磁通量容易飽和，并且大部分磁場會往中間移動。

3.2.2 高速電機空載反電動勢和電流波形

根據仿真結果可知，電機空載的反電勢線的電壓幅值為200V，電機的電壓值在調速的范圍內。關于電機電流波形，可知電機轉子d、q軸電感散布平均，并且電機在運轉過程中是穩定的，三相電流值幾乎一致，電機在運轉中的發熱較小，可以提高其可靠性。盡管有限元分析的結果是理想的，但效果實際上取決于所選或所設計的電機與所采用引擎的匹配度。

3.2.3 電機負載特性仿真

當電機在額定負載下運行時，電機各相繞組中的電壓會因電樞反應而中斷。另外，負載下波形的正弦性也會降低。定子繞組相電動勢有效值為250V 左右。通過給電機配套合適的電流，可以得到電機的輸出扭矩波形。根據仿真結果可知，輸出轉矩最大值約為4.21N·m，輸出轉矩最小值約為3.69N·m，輸出磁感應轉矩平均值約為3.94N·m。通過計算可知扭矩波動約為13.1%。

4 結論

通常情況下，永磁無刷高速電機的研究和應用領域較廣，具有效率高、功率密度高等優勢，但其磁性會損壞電機。該文先根據有限元原理進行計算，然后對電機輸入相關參數，并對其負載和空載情況進行仿真。最后獲得其產生的反電動勢氣隙磁密和齒槽轉矩，并加以分析。值得注意的是，如果轉子太弱，會導致永磁體溫度升高。因此，根據具體設計目的，該文設計了功率為1.1kW、轉速為200000r/min 的高速自動電動機，并提供了設計方案參數。