基于2D仿真模型內(nèi)置式永磁電機的漏磁系數(shù)研究

占鈺濤，周 勇，戴文星，孫海文

應用研究

基于2D仿真模型內(nèi)置式永磁電機的漏磁系數(shù)研究

占鈺濤，周 勇，戴文星，孫海文

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文建立了豐田Prius內(nèi)置式永磁電機的二維仿真模型。采用磁路積分法，計算得到永磁體的漏磁系數(shù)。并且分析了不同電機拓撲結(jié)構(gòu)對漏磁系數(shù)的影響。結(jié)果表明，減小氣隙磁密、增大電機定子外徑和提升永磁體厚度可以降低永磁體漏磁，提升永磁體利用率。

永磁同步電機 漏磁系數(shù) 二維仿真模型

0 引言

內(nèi)置式永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單、機械強度高、控制容易等優(yōu)勢，在電動汽車、輪船推進等領(lǐng)域得到廣泛的運用。相對于表貼式永磁電機，內(nèi)置式永磁電機的永磁體距離定子齒部的距離更大，漏磁磁路更多，因而漏磁也更大。進行內(nèi)置式永磁電機的漏磁系數(shù)分析研究，對提高永磁體利用率，提升經(jīng)濟效益，降低資源浪費具有現(xiàn)實意義。

文獻[1]提出了“一”型磁鋼空載漏磁系數(shù)較準確的路算方法。文獻[2]簡述了三種計算永磁電機漏磁系數(shù)的方法，但未對方法的準確性進行進一步分析。文獻[3]研究了不同隔磁措施對切向永磁同步電機軸部漏磁的影響。文獻[4]對漏磁系數(shù)的計算方法和準確性進行了充分的闡述。目前對內(nèi)置式永磁電機漏磁系數(shù)影響的研究較少，且大都集中在對永磁體本身結(jié)構(gòu)的研究。本文以豐田Prius電機作文研究對象，研究了電機外徑、氣隙長度和永磁體厚度等參數(shù)對永磁體漏磁系數(shù)的影響，對內(nèi)置式永磁電機的設(shè)計具有指導意義。

1 漏磁仿真模型建立

本文以豐田Prius內(nèi)置式永磁電機作為研究對象，基本參數(shù)額定轉(zhuǎn)矩240 Nm，額定轉(zhuǎn)速3000 r/min，電機相數(shù)3，定子外徑269.2，定子內(nèi)徑161.9，槽數(shù)44，轉(zhuǎn)子外徑160.4，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑110.6，極對數(shù)4，鐵心長83.8 mm，氣隙長度0.75 mm。

圖1 豐田Prius電機仿真模型

采用磁密積分法，漏磁系數(shù)可表示為：

對于此二維模型，漏磁系數(shù)可表示為：

圖2 主磁通和總磁通示意圖

所建立的豐田Prius電機的二維Ansoft仿真模型如圖1所示。此二維分析模型的準確性已在文獻[4]中得到證明。

圖3 總磁通示意圖

圖4 主磁通Bm示意圖

2 電機結(jié)構(gòu)參數(shù)對漏磁系數(shù)的影響

2.1 氣隙長度對漏磁系數(shù)的影響

改變氣隙的長度，提取不同長度下的主磁密和總磁密波形，再依據(jù)式（2），計算得到漏磁系數(shù)關(guān)于氣隙長度的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 漏磁系數(shù)隨氣隙長度變化規(guī)律

由圖5可知，隨著氣隙長度的增加，氣隙位置的磁阻增大，氣隙中的漏磁成分提升，從而漏磁系數(shù)呈現(xiàn)一直上升的趨勢，即永磁體的漏磁不斷提升，永磁體利用率不斷下降。

2.2 定子外徑對漏磁系數(shù)的影響

在原模型的基礎(chǔ)上，改變定子鐵心外徑，分析得到不同定子外徑下永磁體的漏磁系數(shù)變化趨勢，如圖6所示。

圖6 漏磁系數(shù)隨定子外徑變化規(guī)律

根據(jù)分析結(jié)果可知，隨著定子鐵心外徑的增大，漏磁系數(shù)在一開始呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，但很快趨于穩(wěn)定。因此，可以選擇曲線的拐點作為定子外徑的尺寸，這樣可以在保證永磁體利用率的情況下，避免硅鋼片的浪費。

2.3 永磁體厚度對漏磁系數(shù)的影響

為研究永磁體厚度對漏磁系數(shù)的影響，計算得到漏磁系數(shù)隨永磁體厚度變化的曲線，如圖7所示。

圖7 漏磁系數(shù)隨永磁體厚度變化規(guī)律

隨著永磁體厚度的提升，總磁通不斷增大，主磁通和漏磁通也隨之增大。但漏磁系數(shù)卻呈現(xiàn)下降的趨勢，即增大永磁體的厚度可以提升永磁體的利用率。在電機設(shè)計的過程中，在保證主磁通不變的情況下，可以適當降低永磁體寬度，增加永磁體厚度，來提升永磁體的利用率。

3 結(jié)論

本文以豐田Prius電機作為研究對象，采用磁密積分法，提取了電機主磁通和總磁通，并對不同電機拓撲結(jié)構(gòu)對漏磁系數(shù)的影響進行了分析。結(jié)果表明，可以采取適當減小氣隙磁密、增大電機定子外徑和提升永磁體厚度的方法來降低永磁體漏磁。對電機設(shè)計過程中減少資源浪費、提升經(jīng)濟效益具有指導意義。

[1] 孫程英, 劉明基, 羅應立. 切向式永磁同步電機不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的軸部漏磁分析[J]. 微特電機, 2010, 38(02): 27-29.

[2] 陳彬, 胡余生, 陳東鎖, 孫文嬌, 吳雨順. 永磁同步電機漏磁系數(shù)計算方法研究[J]. 科技創(chuàng)業(yè)家, 2013(07): 82+84.

[3] 公超, 劉景林, 胡曉杰, 霍達. “一”型磁鋼永磁電機空載漏磁系數(shù)計算[J]. 微電機, 2015, 48(10): 20-23.

[4] 周勇, 占鈺濤, 戴文星. 基于Ansoft的永磁電機漏磁系數(shù)仿真準確性研究[J]. 船電技術(shù), 2021, 41(09): 54-56.

Research on flux leakage coefficient of built-in permanent magnet motor based on two-dimensional simulation model

Zhan Yutao, Zhou Yong, Dai Wenxing, Sun Haiwen

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM351

A

1003-4862（2023）10-0064-03

2022-11-03

占鈺濤（1995-），男，助理工程師。研究方向：機電檢測。E-mail: 155187330@qq.com