壓縮機(jī)用交替極永磁同步電機(jī)關(guān)鍵尺寸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李權(quán)鋒 陳 彬,2 肖 勇

（1. 珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070；2. 空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠海 519070）

引言

近年來(lái)，稀土釹鐵硼永磁同步電機(jī)（PMSM）在空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)應(yīng)用地越來(lái)越廣泛，一方面增加了稀土資源的使用量，另一方面增加了電機(jī)的成本。交替極永磁同步電機(jī)（CP-PMSM）僅具有常規(guī)永磁同步電機(jī)一半數(shù)量的永磁體，可以顯著降低永磁體使用量,如圖1所示。交替極電機(jī)所有永磁體的充磁方向一致，比如N極性充磁，兩塊N極性充磁永磁體之間的軟磁材料會(huì)被相鄰的永磁極磁化成S極，稱為交替極。

文獻(xiàn)[1]中研究了交替極電機(jī)的反電勢(shì)特性，指出交替極轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)中存在常規(guī)電機(jī)不存在的偶數(shù)次諧波，采用槽數(shù)為6P的槽極配合可以有效消除偶數(shù)次諧波，而常用的槽數(shù)3P槽極配合則無(wú)法消除。文獻(xiàn)[2]對(duì)比了用于大巴驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)與交替極永磁同步電機(jī)，指出交替極電機(jī)額定工作狀態(tài)下具有較大的輸出轉(zhuǎn)矩，并且可以節(jié)省18.5 %的永磁體使用量，具有較小的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與齒槽轉(zhuǎn)矩，并且具有較大的調(diào)速范圍，但是其過(guò)載能力較差。文獻(xiàn)[3]通過(guò)設(shè)置轉(zhuǎn)子分段斜極優(yōu)化一款應(yīng)用于壓縮機(jī)中的9槽6極集中卷交替極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，起到了一定的效果，但是轉(zhuǎn)子分段會(huì)會(huì)引起轉(zhuǎn)矩的進(jìn)一步下降。文獻(xiàn)[4]中通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)子的磁極形狀，提升交替極懸浮電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力，降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。文獻(xiàn)[5]通過(guò)槽極配合以及極弧系數(shù)優(yōu)化交替極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

從研究現(xiàn)狀看，交替極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是研究的熱點(diǎn)，分段斜極、磁極形狀優(yōu)化等措施被采用，從常規(guī)電機(jī)的設(shè)計(jì)角度看，轉(zhuǎn)矩能力與轉(zhuǎn)矩波動(dòng)存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但是這些優(yōu)化手段往往只能針對(duì)某一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，例如分段斜極、磁極形狀優(yōu)化會(huì)降低電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。另一方面，關(guān)于一些關(guān)鍵參數(shù)比如永磁體、磁束整理槽等對(duì)交替極電機(jī)性能的影響的詳細(xì)分析未見報(bào)道，而這些特征對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)前期基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇非常重要。

為了考察交替極電機(jī)基本電磁特性及開發(fā)出適用于壓縮機(jī)運(yùn)行狀況的高性能、少磁鋼電機(jī)，本文利用有限元分析法，首先分析了交替極電機(jī)的運(yùn)行原理，指出了其與常規(guī)電機(jī)的結(jié)構(gòu)差異，并且分析了由結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的優(yōu)缺點(diǎn)。而后通過(guò)有限元分析，探討了交替極電機(jī)模型中四個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響，結(jié)果表明，不同的結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)性能的影響存在著明顯的優(yōu)先級(jí)，在電機(jī)優(yōu)化過(guò)程中應(yīng)有所側(cè)重。

1 交替極電機(jī)運(yùn)行原理及優(yōu)缺點(diǎn)分析

如圖2所示為交替極電機(jī)基本特性分析的有限元分析模型，為了提高優(yōu)化效率，僅分析了1/3模型。從其磁力線分布可以看到，由永磁體發(fā)出的磁力線在永磁體的一側(cè)直接進(jìn)入氣隙，與定子繞組匝鏈。另一方面通過(guò)相鄰的鐵芯極即交替極傳到氣隙與繞組匝鏈，這與常規(guī)電機(jī)磁力線的分布一致。

其主要優(yōu)點(diǎn)有兩點(diǎn)：

1）主磁路的磁阻上減少了永磁體槽、永磁體引入的磁阻，有效的磁動(dòng)勢(shì)更高，永磁體的利用率更高，所以可以用較少的永磁體產(chǎn)生與常規(guī)永磁電機(jī)相同的氣隙磁密。

2）可以減小電機(jī)的尺寸。交替極電機(jī)采用的永磁體比傳統(tǒng)的無(wú)刷電機(jī)更厚。在這種情況下，就可以在這種電機(jī)上使用高剩磁、高牌號(hào)的磁鋼，因?yàn)榻M成漏磁回路的磁鋼的厚度很厚，所以沒(méi)有退磁的風(fēng)險(xiǎn)，這讓永磁體的工作點(diǎn)更高。但是對(duì)于傳統(tǒng)的永磁電機(jī)不能用高牌號(hào)、高剩磁的磁鋼，因?yàn)榻M成漏磁回路的永磁體比較薄，這就造成了工作點(diǎn)很低并且伴隨有退磁的風(fēng)險(xiǎn)。所以使用高牌號(hào)的磁鋼，可以縮小這種電機(jī)的尺寸，這比傳統(tǒng)的電機(jī)更有優(yōu)勢(shì)。

正是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其缺陷也很明顯，即相鄰磁極下的氣隙磁密嚴(yán)重不對(duì)稱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，隨之而來(lái)的是振動(dòng)、噪聲等問(wèn)題。圖3顯示的是交替極電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，圖4顯示的是常規(guī)結(jié)構(gòu)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，雖然此時(shí)常規(guī)電機(jī)的氣隙磁密較大，但是交替極電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩卻是常規(guī)電機(jī)的3.8倍之多，并且齒槽轉(zhuǎn)矩相鄰的波峰值明顯不對(duì)稱。對(duì)于這種特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)，若要改善轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，首先相鄰磁極下的氣隙磁場(chǎng)要盡量對(duì)稱，之后可以按照常規(guī)思路去降低氣隙磁場(chǎng)諧波含量。

圖1 常規(guī)電機(jī)與交替極電機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖2 交替極電機(jī)有限元分析模型

2 交替極電機(jī)關(guān)鍵尺寸參數(shù)分析

為了更好地設(shè)計(jì)交替極電機(jī)，這里分析了4個(gè)電機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響。

圖3 交替極電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩

圖4 常規(guī)永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩

圖5 常規(guī)電機(jī)極間隔磁槽

圖6 常規(guī)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線

2.1 極間隔磁槽

極間隔磁槽主要起到兩方面的作用，一方面在永磁體端部附近形成狹長(zhǎng)的磁路，減少永磁體端部以及極間的漏磁，提高永磁體利用率。另一方面主要是改變電機(jī)極間的結(jié)構(gòu)，因?yàn)闃O間位置是電機(jī)q軸磁路很重要的一部分，通過(guò)改變這里的結(jié)構(gòu)改變q軸特性，從而改變電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩等。

常規(guī)的永磁電機(jī)相鄰磁極間的隔磁孔如圖5所示，其中相鄰磁極分界線兩側(cè)的夾角a=b，相鄰磁極下的氣隙磁密波形對(duì)稱，這可以從轉(zhuǎn)矩波形看出，如圖6所示，為常規(guī)電機(jī)一個(gè)電周期的轉(zhuǎn)矩波形，相鄰的兩個(gè)波峰是一致的。

而對(duì)于交替極電機(jī)，極間隔磁孔示意圖如圖7所示。假設(shè)此時(shí)仍然保持a=b，那么相鄰的磁極下的氣隙磁密會(huì)非常不對(duì)稱，這一點(diǎn)從轉(zhuǎn)矩波形可以看出，如圖8，相鄰的波峰差別很大。

為了探討極間隔磁孔形狀、尺寸對(duì)交替極電機(jī)性能的影響，并且由于交替極電機(jī)相鄰的磁極結(jié)構(gòu)是不對(duì)稱的，所以調(diào)整a、b兩個(gè)角度的關(guān)系，使之成為不對(duì)稱的隔磁孔，以改善相鄰磁極下的磁密波形，改善轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這里將b角度參數(shù)化，掃描其對(duì)電機(jī)各項(xiàng)性能的影響，如圖9～11所示。

圖7 交替極電機(jī)的極間隔磁槽

圖8 交替極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線

圖9 參數(shù)b對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響

圖10 參數(shù)b對(duì)反電勢(shì)諧波畸變率（THD）的影響

圖11 參數(shù)b對(duì)電機(jī)效率的影響

結(jié)果顯示，b在30 °的時(shí)候轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最小。但是隨著b的增大效率呈逐步上升的趨勢(shì)，分析數(shù)據(jù)認(rèn)為，這是由于b的增大，聚磁增強(qiáng)，出力逐漸增大，同時(shí)由于氣隙磁密波形的改善，鐵損有降低，所以導(dǎo)致效率逐步上升?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最小的時(shí)候性能并不是最佳。而b究竟選取什么尺寸，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合判斷電機(jī)更側(cè)重效率或者轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，并且應(yīng)該結(jié)合反電勢(shì)諧波畸變率（THD）的優(yōu)劣，THD除影響轉(zhuǎn)矩波動(dòng)外，還影響定轉(zhuǎn)子鐵芯部分的損耗。

2.2 永磁體厚度

永磁體價(jià)格相對(duì)于電機(jī)中的其他部分，比如硅鋼片、銅線更貴，對(duì)電機(jī)的性能影響也更直接，因此合理的永磁體尺寸對(duì)于提高永磁體利用率、優(yōu)化電機(jī)性能十分重要。長(zhǎng)方形永磁體的關(guān)鍵尺寸有兩個(gè)：寬度與厚度。寬度主要影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，在電機(jī)尺寸基本確定的前提下，永磁電機(jī)的功率等級(jí)基本也就確定了，此時(shí)永磁體的寬度區(qū)別較小。而永磁體厚度不但影響電機(jī)的出力，更影響電機(jī)的可靠性，即抗退磁性能，將永磁體的厚度參數(shù)化，考察期對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、效率與抗退磁性能的影響，掃描的結(jié)果如圖12～14所示。

可以看出，由于永磁體厚度方向的增加，電機(jī)空載時(shí)永磁體的工作點(diǎn)會(huì)上升，效率會(huì)有一個(gè)明顯的上升，并且由于隔磁橋的飽和度增加，漏磁也會(huì)減少，此外，抗退磁能力也有明顯的上升。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)受永磁體厚度的影響較小，雖然會(huì)有略微的增加，但是基本保持在28 %不變，根據(jù)其這種特點(diǎn)，可以在優(yōu)化完其他尺寸后單獨(dú)設(shè)計(jì)。可根據(jù)幾種考察的性能綜合選定一個(gè)厚度值。

2.3 轉(zhuǎn)子外圓偏心距

轉(zhuǎn)子外圓偏心距，顧名思義，即轉(zhuǎn)子的外圓是由幾段不同心的圓弧組成的。偏心距的的增大會(huì)導(dǎo)致氣隙的變大，導(dǎo)致電機(jī)的氣隙磁密，尤其是諧波磁密的大量減少，從而優(yōu)化氣隙磁密的波形，但是基波含量的減少也會(huì)使出力略微降低。將轉(zhuǎn)子外圓偏心距參數(shù)化，考察其對(duì)轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響。

圖12 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)隨永磁體厚度變化曲線

圖13 效率隨永磁體厚度變化曲線

圖14 退磁率隨永磁體厚度變化曲線

圖15 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)隨轉(zhuǎn)子外圓偏心距變化曲線

圖16 轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子外圓偏心距變化曲線

尺寸掃描的結(jié)果如圖15、16所示。和預(yù)期的一樣，隨著偏心距的增加，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大幅降低，轉(zhuǎn)矩也大幅降低。而交替極電機(jī)一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是永磁體用量相比于常規(guī)電機(jī)會(huì)大幅減少，所以，出力減小不利于這種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，這和削減轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是矛盾的。因此，采用增加轉(zhuǎn)子外圓偏心距的方式削弱轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)于常規(guī)電機(jī)而言是可以接受的，但是對(duì)于交替極電機(jī)來(lái)說(shuō)是不適合的。

2.4 極靴磁束整理槽

極靴磁束整理槽，即設(shè)置在永磁轉(zhuǎn)子磁極極靴部分的空氣槽，用來(lái)整理永磁體發(fā)出的磁力線。如果是設(shè)置在永磁體的兩端，除了整理磁力線以外，還能通過(guò)形成狹長(zhǎng)、易飽和的磁橋，減少永磁體端部的漏磁，另一方面可以增強(qiáng)聚磁能力，提升電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，調(diào)整極弧系數(shù)，優(yōu)化轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，如圖17所示。將磁束整理槽的寬度w參數(shù)化，考察其對(duì)電機(jī)各項(xiàng)性能的影響。

掃描結(jié)果如圖18、19所示。理論上極弧系數(shù)越接近1轉(zhuǎn)矩波動(dòng)越小，w增加轉(zhuǎn)矩波動(dòng)應(yīng)該增加，但是從曲線上看是先減后增，似乎與理論不符，此過(guò)程中考察了反電勢(shì)諧波畸變率THD，該曲線的趨勢(shì)與轉(zhuǎn)矩波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，可以認(rèn)為在w增加的過(guò)程中是氣隙諧波的諧波含量起到了主要的作用。掃描過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，隨著w的增加，聚磁逐漸增強(qiáng)，電磁轉(zhuǎn)矩先增后減，效率趨勢(shì)同樣是先增后減，所以和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)三者在2.2 mm左右均達(dá)到最佳值。

圖17 極靴磁束整理槽示意

圖18 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)隨極靴磁束整理槽寬度變化曲線

圖19 反電勢(shì)諧波畸變率隨極靴磁束整理槽寬度變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了交替極電機(jī)的運(yùn)行原理，指出了其與常規(guī)電機(jī)的結(jié)構(gòu)差異，并且分析了由其導(dǎo)致的優(yōu)缺點(diǎn)。仿真分析了一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括不對(duì)稱極間磁束整理槽、永磁體厚度、轉(zhuǎn)子外圓偏心距、極靴磁束整理槽對(duì)其性能的影響。在分析的過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，考察的兩個(gè)主要參數(shù)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與電機(jī)效率之間存在著矛盾，只能根據(jù)實(shí)際需求有所側(cè)重地去選擇各自對(duì)應(yīng)的合適尺寸?？梢灶A(yù)見，通過(guò)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以讓這種結(jié)構(gòu)電機(jī)降成本、縮減體積的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)，因此交替極電機(jī)在壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。