多磁路結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)氣隙磁密波形優(yōu)化*

陳麗香，王正祥

(沈陽工業(yè)大學(xué) 國家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心，沈陽 110870)

多磁路結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)氣隙磁密波形優(yōu)化*

陳麗香，王正祥

(沈陽工業(yè)大學(xué) 國家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心，沈陽 110870)

永磁電機(jī)一直以高性能的優(yōu)勢倍受電機(jī)界的關(guān)注，但卻因高檔永磁體的成本高而影響其推廣應(yīng)用。為了減少永磁電機(jī)的制造成本，以一臺8.8kW、20極24槽內(nèi)置切向式直驅(qū)永磁電機(jī)為例，采用價格低廉的鐵氧體來降低永磁電機(jī)的制造成本。提出轉(zhuǎn)子開口結(jié)構(gòu)來減少內(nèi)置切向式結(jié)構(gòu)的漏磁因數(shù)，利用不均勻氣隙方法來改善其空載氣隙磁密波形。并利用有限元軟件Ansoft分析不同永磁體充磁方向長度不同轉(zhuǎn)子開口長度時永磁電機(jī)的漏磁因數(shù)、空載氣隙磁密基波幅值、齒槽轉(zhuǎn)矩曲線。同時采用多組不均勻氣隙數(shù)值進(jìn)行仿真對比，得到空載氣隙磁密波形畸變率與偏心距之間的關(guān)系曲線。分析表明在電機(jī)的性能與采用表面式釹鐵硼永磁電機(jī)相差不大的情況下，電機(jī)的體積沒有增加，降低了永磁電機(jī)的制造成本。

內(nèi)置切向式結(jié)構(gòu)；直驅(qū)永磁電機(jī)；轉(zhuǎn)子開口；不均勻氣隙

0 引言

永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用范圍極為廣泛[1-3]。但近年來由于稀土永磁材料的大幅漲價，特別是在2011年稀土價格達(dá)到頂峰時，燒結(jié)釹鐵硼磁體的價格漲了將近5倍。2012年雖然釹鐵硼的價格有所回落，但從整體上相比2000年及以前還是有大幅度的提高，直接導(dǎo)致永磁電機(jī)的制造成本大幅增加，阻礙了永磁同步電機(jī)的發(fā)展和在行業(yè)內(nèi)的推廣。因此怎樣在保證永磁電機(jī)功率密度和性能的同時，使用價格低廉的永磁材料，降低永磁同步電機(jī)的制造成本顯得非常有必要。在分析磁路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用內(nèi)置切向式結(jié)構(gòu)，使用價格低廉的鐵氧體永磁材料來降低永磁電機(jī)的制造成本。但由于鐵氧體的磁性能較差，并且內(nèi)置切向式結(jié)構(gòu)的漏磁因數(shù)、空載氣隙磁密波形畸變率較大，直接影響永磁電機(jī)的性能。

眾多學(xué)者對永磁同步電機(jī)的永磁磁密波形進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，但大部分是針對表面式結(jié)構(gòu)的[4-7]。山東大學(xué)的王秀和等人采用 Zooming 算法對內(nèi)置式永磁電機(jī)磁極不對稱角度進(jìn)行優(yōu)化，以及通過改變隔磁磁橋形狀改變一個磁極的極弧寬度等方法，來削弱內(nèi)置式結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩[8-9]。文獻(xiàn)[10-11]對采用不均勻氣隙的方法改善永磁電機(jī)空載氣隙磁密波形進(jìn)行了研究。以一臺8.8kW、20極24槽內(nèi)置切向式直驅(qū)永磁電機(jī)為例，采用轉(zhuǎn)子開口結(jié)構(gòu)來減少內(nèi)置切向式結(jié)構(gòu)的漏磁，采用不均勻氣隙方法來改善其空載氣隙磁密波形。

1 普通切向式與表面式結(jié)構(gòu)對比

兩種電機(jī)的模型如圖1所示，基本參數(shù)如表1所示。

(a)內(nèi)置式鐵氧體結(jié)構(gòu) (b)表面式釹鐵硼結(jié)構(gòu)圖1 兩種電機(jī)的二維模型 表1 電機(jī)基本參數(shù)

項(xiàng)目參數(shù)定子鐵心外徑/mm445定子鐵心內(nèi)徑/mm315鐵心長度/mm330定子槽數(shù)24極數(shù)20每槽導(dǎo)體數(shù)390額定轉(zhuǎn)速/r·min-160轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)徑/mm100

兩種結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的空載氣隙磁密諧波幅值占基波百分比如圖2所示。不同結(jié)構(gòu)的漏磁因數(shù)、空載氣隙磁密波形畸變率、齒槽轉(zhuǎn)矩的對比如表2所示。

圖2 諧波幅值占基波百分比 表2 兩種電機(jī)性能對比

項(xiàng)目內(nèi)置式結(jié)構(gòu)表面式結(jié)構(gòu)漏磁因數(shù)1.361.27齒槽轉(zhuǎn)矩/N·m38.917.9氣隙磁密波形畸變率/%30.5818.04

由表2可以得到普通的內(nèi)置式永磁結(jié)構(gòu)的漏磁因數(shù)比表面式永磁結(jié)構(gòu)大了7.1%、齒槽轉(zhuǎn)矩大了117.3%、空載氣隙磁密波形畸變率大了69.5%。為了減小內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的漏磁因數(shù)，進(jìn)而減少永磁材料的使用量提出了一種轉(zhuǎn)子開口結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

2 轉(zhuǎn)子槽開口對電機(jī)性能的影響

2.1 不同參數(shù)對漏磁因數(shù)、齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

如圖4所示轉(zhuǎn)子開口后限制了部分磁路，改變了磁力線走向，減少了漏磁。為了分析不同永磁體充磁方向長度、轉(zhuǎn)子開口長度對漏磁因數(shù)和齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。在保證定子參數(shù)和永磁體厚度為70mm不變的同時，分析不同的永磁體充磁方向長度hM(如圖3所示)、轉(zhuǎn)子開口長度L(如圖3所示)分別為8mm、10mm、12mm、14mm、16mm時永磁電機(jī)的漏磁因數(shù)、空載氣隙磁密基波幅值、齒槽轉(zhuǎn)矩。結(jié)果如圖5～7所示。

圖3 轉(zhuǎn)子開口結(jié)構(gòu)示意圖

(a) 轉(zhuǎn)子閉口結(jié)構(gòu) (b)轉(zhuǎn)子開口結(jié)構(gòu)圖4 磁力線分布圖

圖5 不同參數(shù)時的漏磁因數(shù)

由圖5得到在相同的開口長度下充磁方向長度越小漏磁因數(shù)越小。

圖6 不同參數(shù)的齒槽轉(zhuǎn)矩

由圖6可以得到不同充磁方向長度均在開口長度為12mm時齒槽轉(zhuǎn)矩最小。選擇開口12mm為最后方案。不同永磁體充磁方向長度在轉(zhuǎn)子開口長度為12mm時的齒槽轉(zhuǎn)矩如表3所示。

表3 不同參數(shù)時的齒槽轉(zhuǎn)矩

圖7 不同參數(shù)時氣隙磁密基波幅值

由圖7可以得到在開口長度為12mm時充磁方向長度分別為23mm、22mm、20mm、18mm時的氣隙磁密基波幅值如表4所示。

表4 氣隙磁密基波幅值

為了保證永磁電機(jī)有較好的性價比，必須在保證電機(jī)性能的同時，盡量減少鐵氧體的用量，綜合選取充磁方向長度為20mm、開口長度為12mm為最終方案。

2.2 永磁體厚度對漏磁因數(shù)的影響

為了研究不同永磁體厚度對漏磁因數(shù)的影響，在保證其它定子參數(shù)不變的同時，選取鐵氧體的充磁方向長度為20mm、開口長度為12mm固定不變，分別取鐵氧體厚度為70mm、60mm、50mm、40mm進(jìn)行對比，在對比中選取同樣尺寸的轉(zhuǎn)子隔磁磁橋，如圖8所示。經(jīng)過仿真分析不同鐵氧體寬度時漏磁因數(shù)和氣隙磁密基波幅值如圖9所示。

圖8 隔磁磁橋尺寸示意圖

圖9 不同參數(shù)時漏磁因數(shù)和氣隙磁密基波幅值

由圖9可以得到當(dāng)永磁體寬度從70mm變到40mm時，漏磁因數(shù)增大了28.1%、氣隙磁密基波幅值減少了40.5%。為了保證永磁電機(jī)有較好的性能取鐵氧體厚度70mm作為最終方案。此時兩種電機(jī)性能的對比如表5所示，內(nèi)置式鐵氧體永磁結(jié)構(gòu)的空載氣隙磁密波形畸變率比表面式釹鐵硼永磁結(jié)構(gòu)大44.3%。為了提高永磁電機(jī)的性能，采用不均勻氣隙的方法來改善內(nèi)置式鐵氧體永磁結(jié)構(gòu)的空載氣隙磁密波形。

表5 兩種電機(jī)性能對比

3 不均勻氣隙對電機(jī)性能的影響

采用不均勻氣隙結(jié)構(gòu)如圖10所示。對于傳統(tǒng)的電機(jī)均采用均勻氣隙，轉(zhuǎn)子沖片為標(biāo)準(zhǔn)的圓形，如圖所示為以O(shè)為圓心的圓。采用不均勻氣隙結(jié)構(gòu)后，在永磁體磁極跨距范圍內(nèi)對應(yīng)的轉(zhuǎn)子沖片圓周以點(diǎn)O′為圓心，其余部分仍以點(diǎn)O為圓心，定義OO′為偏心距，δmin、δmax分別如圖10所示。

圖10 不均勻氣隙示意圖

當(dāng)采用不同的偏心距OO′時即不同的δmax/δmin值，空載氣隙磁密波形畸變率如圖11所示。不同δmax/δmin時永磁電機(jī)的空載氣隙磁密波形畸變率、漏磁因數(shù)、氣隙磁密基波幅值、齒槽轉(zhuǎn)矩對比如表6所示。

圖11 不同偏心距時空載氣隙磁密波形畸變率

由圖11可以得到并不是δmax/δmin的值越大氣隙磁密波形畸變率越小，兩者之間的關(guān)系近似二次曲線。當(dāng)δmax/δmin值越大時，電機(jī)的漏磁因數(shù)就越大，為了保證電機(jī)的性能，就需要使用較多的永磁材料來保證電機(jī)的氣隙磁密，所以要綜合考慮來選取δmax/δmin的值。在本次設(shè)計(jì)中采用不均勻氣隙前空載氣隙波形畸變率為32.38%，采用不均勻氣隙后在δmax/δmin=3附近時空載氣隙磁密波形畸變率最小為16.1%左右，減小了50.3%。

表6 不同δmax/δmin時永磁電機(jī)參數(shù)對比

為了保證永磁電機(jī)的性能，選取氣隙磁密基波幅值相對較高，同時畸變率相對較低的方案。選取δmax/δmin=1.8為最終方案。此時兩種電機(jī)的性能對比如表7所示。兩者的空載氣隙磁密波形畸變率相差不大。

表7 兩種電機(jī)性能對比

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用內(nèi)置式鐵氧體結(jié)構(gòu)后與同機(jī)座號同功率的表面式釹鐵硼結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的線反電動勢波形及諧波幅值占基波百分比對比如圖12～13所示，其中線反電動勢波形圖采用美國泰克的TDS1012測得。

(a)線反電動勢波形

Voltage THD=2.738% (b)諧波幅值占基波百分比圖12 內(nèi)置式鐵氧體結(jié)構(gòu)

(a)線反電動勢波形

Voltage THD=2.679% (b)諧波幅值占基波百分比圖13 表面式釹鐵硼結(jié)構(gòu)

對比圖12和圖13可以得到內(nèi)置式鐵氧體永磁電機(jī)的線反電動勢波形畸變率為2.738，與表面式釹鐵硼永磁電機(jī)的線反電動勢波形畸變率2.679%相差不大。表明采用不均勻氣隙可以有效改善永磁同步電機(jī)的空載氣隙磁密波形，從而降低對應(yīng)的線反電動勢的總諧波畸變率。

5 結(jié)束語

針對內(nèi)置切向式直驅(qū)永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，表明采用轉(zhuǎn)子開口結(jié)構(gòu)后，內(nèi)置切向式結(jié)構(gòu)的漏磁因數(shù)最大可以減少12.7%、采用不均勻氣隙后空載氣隙磁密波形的畸變率最大可以減少50%，但考慮到氣隙磁密基波幅值、機(jī)械強(qiáng)度等因素的影響，要適當(dāng)選取不均勻氣隙的尺寸。最后對設(shè)計(jì)的內(nèi)置鐵氧體永磁電機(jī)與表面式釹鐵硼永磁電機(jī)進(jìn)行了對比，兩者在體積相同的情況下線反電動勢波形畸變率相差不大。因而直驅(qū)永磁電機(jī)可以采用內(nèi)置式鐵氧體永磁結(jié)構(gòu)來降低永磁電機(jī)的制造成本。

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(編輯 趙蓉)

Optimal Design of Airgap Flux Density of Multi Magnetic Structure of Permanent Magnet Motor

CHEN Li-xiang，WANG Zheng-xiang

(National Engineering Research Center for REPM Electrical Machine ,Shenyang University of Technology, Shenyang 110870,China)

In order to reduce the manufacturing cost of permanent magnet motor, in this paper, taking a 8.8kW, 20 pole 24 slot built-in tangential type direct-drive permanent magnet motor as an example, using inexpensive ferrite to reduce the manufacturing cost of permanent magnet motors. Propose the rotor opening structure to reduce the magnetic flux leakage factor of built-in tangential type, Using the non-uniform air gap method to improve the wave of no-load airgap flux density. And by using the finite element software Ansoft analysis of magnetic flux leakage factor, the fundamental amplitude of no-load airgap flux density and the cogging torque curve when diffierent length of permanent magnet magnetization direction and different length of rotor opening. In order to get curves between waveform distortion rate of no-load airgap flux density and eccentricity, using multiple sets of non-uniform air gap value for simulation and compared. Analysis shows that when the performance of the motor colse to the surface-type NdFeB permanent magnet motors the volume of built-in tangential type permanent magnet motor did not increase, reducing the manufacturing cost of permanent magnet motor.

built-in tangential type；direct-drive permanent magnet motor；rotor opening；non-uniform air gap

1001-2265(2014)06-0038-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.011

2013-09-29;

2013-10-28

國家科技重大專項(xiàng)“永磁電機(jī)技術(shù)與二次供水技術(shù)耦合”(2011ZX07411-001-1)

陳麗香( 1973—) ，女，沈陽人，沈陽工業(yè)大學(xué)高級工程師，碩士，主要從事永磁電機(jī)研究和開發(fā)，(E-mail)chen_lx47@aliyun.com；通訊作者：王正祥( 1988—) ，男，河南新鄉(xiāng)人，沈陽工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制，(E-mail)junjie200803@163.com。

TH165;TG65

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