不同永磁形狀的內(nèi)置式永磁電機空載性能比較

倪有源，王 磊

(1.合肥工業(yè)大學，合肥 230009; 2. 安徽大學 高節(jié)能電機及控制技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，合肥 230601)

0 引 言

相對于其他類型電機，永磁電機擁有效率高、體積小以及轉矩密度高等優(yōu)點[1]，永磁電機被廣泛地應用在航空航天、國防、交通運輸、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和公共生活等方面。目前，對永磁電機的研究主要是以表貼式永磁電機為主，這類電機具有調(diào)速快，運行穩(wěn)定且結構簡單等優(yōu)點。但是在調(diào)速范圍和高速運行下的穩(wěn)定性等方面，表貼式永磁電機比內(nèi)置式永磁電機差。內(nèi)置式永磁電機的永磁嵌入在轉子里，于是就沒有表貼式永磁電機在高速運轉時永磁會脫落的缺點，特別是內(nèi)置式永磁同步電機在恒定功率的條件下具有調(diào)速范圍寬、過載能力強和功率密度高等優(yōu)勢，廣泛應用在新能源電動汽車中[2]。近年來，對內(nèi)置式永磁電機的研究越來越廣泛。內(nèi)置式永磁電機轉子結構復雜，且因永磁體和隔磁橋?qū)﹄姍C性能的影響，對內(nèi)置式永磁電機的電磁性能研究，較少采用解析法分析[3-4]，大多運用有限元法進行設計、分析以及優(yōu)化[5-10]。

本文運用二維有限元法分析了長方體和瓦形兩種不同形狀的內(nèi)置式永磁電機的空載性能。分析了永磁的結構變化對電機空載磁場參數(shù)的影響，然后分析在兩種形狀的永磁體用量不變的條件下，改變永磁體的位置和厚度，得到了永磁體位置和厚度對內(nèi)置式永磁電機空載參數(shù)的影響規(guī)律。

1 內(nèi)置式永磁電機結構

圖1給出了長方體永磁和瓦形永磁兩種永磁形

(a) 長方體永磁

(b) 瓦形永磁

圖1兩種內(nèi)置式永磁形狀

狀的內(nèi)置式永磁電機結構。這兩種電機的定子結構參數(shù)完全相同，但轉子磁路不相同，于是得到的電機性能也不同。

一臺3相、6槽4極內(nèi)置式永磁電機的主要參數(shù)如表1所示。該電機的額定轉速3 000 r/min，定子和轉子鐵心采用的是50W470的硅鋼片，0.5 mm疊壓。永磁牌號是釹鐵硼N33。

表1 內(nèi)置式永磁電機的主要參數(shù)

2 兩種磁極形狀的空載磁場比較

運用二維有限元法，得到長方體永磁和瓦形永磁的兩種電機空載磁力線分布如圖2所示。

(a) 長方體永磁

(b) 瓦形永磁

圖2兩種永磁形狀的空載磁力線分布

運用二維有限元法，計算兩種不同形狀永磁的空載磁場參數(shù)。圖3(a)和圖3(b)分別為長方體永磁和瓦形永磁的氣隙徑向磁密波形。對這兩個波形進行傅里葉分解，得到氣隙徑向磁密的基波和諧波，如圖4所示。兩種磁極形狀的氣隙徑向磁密基波幅值和THD值如表2所示。

(a) 長方體永磁

(b) 瓦形永磁

圖3兩種永磁形狀的氣隙徑向磁密波形

圖4 兩種永磁形狀的氣隙徑向磁密基波和諧波

從這些圖表可知，長方體永磁比瓦形永磁的氣隙徑向磁密的基波值小，且瓦形永磁的THD值小于長方體永磁的THD值。就氣隙磁密而言，瓦形永磁優(yōu)于長方體永磁。

表2 兩種永磁形狀的氣隙徑向磁密

圖5(a)和圖5(b)分別為長方體永磁和瓦形永磁的內(nèi)置式永磁電機的空載感應電動勢波形。分別對兩個空載感應電動勢進行傅里葉分解，得兩種永磁形狀的感應電動勢基波和諧波，如圖6所示。兩種永磁形狀的感應電動勢的基波和THD值如表3所示。

(a) 長方體永磁

(b) 瓦形永磁

圖5兩種永磁形狀的感應電動勢波形

圖6 兩種永磁形狀的感應電動勢基波和諧波

永磁形狀感應電動勢基波幅值E/V感應電動勢THD/%長方體125.626.55瓦形128.423.00

可以看出，長方體永磁比瓦形永磁的感應電動勢的基波值小，且瓦形永磁的THD比長方體永磁的THD值小。從感應電動勢這方面來看，瓦形永磁優(yōu)于長方體永磁。

圖7(a)和7(b)分別為兩種永磁形狀的內(nèi)置式永磁電機的齒槽轉矩波形。從圖7中可看出，長方體永磁的齒槽轉矩的峰值為48.17 mN·m，瓦形永磁的齒槽轉矩峰值為152.28 mN·m。顯然，長方體永磁優(yōu)于瓦形永磁。

(a) 長方體永磁

(b) 瓦形永磁

圖7兩種永磁形狀的齒槽轉矩波形

3 永磁位置對空載磁場的影響

3.1 長方體永磁

長方體永磁的結構如圖8所示。h1和h2分別為永磁的下表面和上表面離轉軸中心的距離。保持永磁大小和形狀不變，通過改變永磁的位置，分析永磁的不同位置對電機空載磁場的影響。這里，h1首先從5 mm開始，即永磁下表面在轉子的內(nèi)徑處，然后h1每次增加1.4 mm，增加到12 mm時，即永磁上表面在轉子的外徑處，運用有限元法得到永磁不同的位置對電機空載磁場的影響。

圖8 長方體永磁截面

隨著h1的變化，即永磁的位置發(fā)生變化時，氣隙徑向磁密的基波幅值和THD值的變化情況如表4所示。從表4中可以看出，當h1變化時，氣隙磁密的基波幅值和THD的值變化不明顯。隨著h1的變化，空載感應電動勢基波幅值和THD值的變化情況如圖9所示。從圖9中可以看出，隨著h1的變化，空載感應電動勢的基波幅值和THD值變化不大。隨著h1的變化，齒槽轉矩變化波形圖如圖10所示。

表4 長方體永磁在不同位置的氣隙徑向磁密

圖9 長方體永磁位置對

圖10 長方體永磁位置對

從這些圖表可知，永磁的位置變化對內(nèi)置永磁電機的空載性能影響較小。永磁的位置接近轉子內(nèi)表面處，氣隙磁密和感應電動勢優(yōu)于永磁接近轉子的外表面處。而永磁在中間處和轉子外徑處的齒槽轉矩優(yōu)于永磁在其它位置。

3.2 瓦形永磁

瓦形永磁的結構如圖11所示。保持永磁大小和形狀不變，由于需要提供鐵心磁路，所以轉子鐵心形狀需要稍微改變。也分析瓦形永磁的不同位置對電機空載磁場的影響。當永磁的位置變化時，h1的變化與長方體永磁位置變化情況一樣。

圖11 瓦形永磁截面

運用有限元方法，得到瓦形永磁h1不同值時的氣隙徑向磁密。然后計算相應的氣隙徑向磁密基波幅值及其THD，如表5所示?？梢钥闯觯S著h1的增加，瓦形永磁的內(nèi)置式永磁電機氣隙徑向磁密基波幅值逐漸減小，THD值先增大再減小然后增大。

表5 瓦形永磁不同位置的氣隙徑向磁密

隨著h1值的變化，瓦形永磁內(nèi)置式永磁電機的感應電動勢的基波幅值和THD值的變化情況如圖12所示。從圖12中可以看出，隨著h1的增加，感應電動勢的基波值減小，THD值先減小再增大然后減小。隨著h1的變化，齒槽轉矩的變化情況如圖13所示。從圖13中可以看出，隨著h1的增加，齒槽轉矩的峰值先減小后增大再減小。

圖12 瓦形永磁不同位置對

圖13 瓦形永磁不同位置對

4 永磁厚度對空載磁場的影響

4.1 長方體永磁

圖8中，長方體永磁的截面為矩形，h2-h1為永磁厚度。保持永磁的形狀和體積不變，即截面積不變，逐次增加永磁厚度，使b1值減小，這里取中心為初始值，步長為上下各增加0.7 mm。

在永磁量不變的情況下，運用有限元法得到長方體永磁在不同厚度的氣隙徑向磁密波形。計算得到不同永磁厚度下氣隙徑向磁密基波幅值及THD，如表6所示?？梢钥闯?，隨著永磁厚度增加，長方體永磁的內(nèi)置式永磁電機氣隙徑向磁密基波幅值和THD值都增大。

表6 長方體永磁不同厚度下的氣隙徑向磁密

隨著永磁厚度變化，感應電動勢基波幅值和THD值的變化情況如圖14所示。從圖14中可以看出，隨著永磁厚度的增加，感應電動勢的基波幅值先增大后減小，而THD值一直增大。永磁厚度變化時，齒槽轉矩變化如圖15所示。可以看出，隨著永磁厚度的增加，齒槽轉矩峰值先增大然后減小。

圖14 長方體永磁厚度對

圖15 長方體永磁厚度對

4.2 瓦形永磁

在永磁形狀和體積不變的情況下，依次改變永磁厚度，運用有限元法得到瓦形永磁不同厚度下的氣隙徑向磁密。再計算相應的氣隙徑向磁密基波幅值及THD，如表7所示?？梢钥闯觯S著永磁厚度的增加，瓦形永磁的內(nèi)置式永磁電機氣隙徑向磁密基波幅值和THD值都增大。

表7 瓦形永磁不同厚度下的氣隙徑向磁密

隨著永磁厚度的增加，瓦形永磁電機感應電動勢的基波幅值和THD的變化情況如圖16所示。從圖16中可以看出，隨著永磁厚度的增加，感應電動勢的基波和THD都增大。

圖16 瓦形永磁厚度對感應電動勢的影響

隨著瓦形永磁厚度的增加，齒槽轉矩的變化情況如圖17所示。從圖17中可以看出，隨著永磁厚度的增加，齒槽轉矩的峰值先增加后減小再增加。

圖17 瓦形永磁厚度對齒槽轉矩峰值的影響

5 結 語

有限元法計算結果很精確，適用于分析復雜結構的電機性能。本文運用二維有限元方法，分析了長方體永磁和瓦形永磁兩種不同形狀的內(nèi)置式永磁電機的空載電磁性能。計算結果表明，瓦形永磁的氣隙磁密和感應電動勢優(yōu)于長方體永磁，但齒槽轉矩高于長方體永磁。分析了兩種永磁在不同位置處的電機空載電磁性能，保持永磁大小和形狀不變的前提下，改變長方體永磁位置對內(nèi)置式永磁電機空載磁場影響很小。而對于瓦形永磁，雖然永磁形狀不變，但是轉子鐵心形狀發(fā)生改變，于是在不同位置時，電機空載電磁性能發(fā)生了改變。最后，保持永磁量不變，隨著永磁厚度的增加，瓦形永磁的氣隙徑向磁密和感應電動勢的基波幅值和THD都增加，長方體永磁的氣隙徑向磁密的基波幅值和THD也增加，而感應電動勢的基波幅值先增大后減小，THD隨之增大。本文為內(nèi)置式永磁電機的結構性能優(yōu)化提供了理論參考。