洗衣機(jī)用永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電磁設(shè)計和分析對比

張 旭 林明耀

（東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院 南京 210096）

引言

變頻器供電的永磁同步電機(jī)和轉(zhuǎn)子位置矢量閉環(huán)控制算法配合，不僅具備普通直流電機(jī)的優(yōu)異調(diào)速性能，最重要的是實現(xiàn)了無刷化，提高了電機(jī)的使用壽命，降低了維修成本。這使PMSM在需要高控制精度和高可靠性的場合[1]，如航空航天、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、電動汽車、計算機(jī)外圍設(shè)備和家用電器等方面有著巨大應(yīng)用前景。

表貼式永磁轉(zhuǎn)子是最常見的一種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，這主要是由于這種易于生產(chǎn)裝配、成本低，同時可以通過優(yōu)化設(shè)計磁鋼形狀，生成逼近正弦波形的氣隙磁場。表貼式永磁轉(zhuǎn)子的局限在于其隱極結(jié)構(gòu)，不具備利用磁阻轉(zhuǎn)矩的條件，同時聚磁能力較弱，難以提升其轉(zhuǎn)矩密度。內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子的磁鋼固定在鐵心中，由于磁鋼不正對磁場，抗退磁能力較強(qiáng)，同時由于其凸極結(jié)構(gòu)，可以利用磁阻轉(zhuǎn)矩。傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子的局限在于無法避免漏磁問題，采用隔磁橋本質(zhì)上是通過損失部分聚磁能力，在隔磁橋飽和后來形成較大磁阻。顯然，隔磁橋?qū)挾扰c限制漏磁的能力成反比，但是隔磁橋?qū)挾热绻^小，轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度無法得到保證，所以目前隔磁橋的子的漏磁系數(shù)仍難以減小。

因此，本文提出來了一種利用非鐵磁部件固定永磁和鐵心的新型拼接式轉(zhuǎn)子，并與傳統(tǒng)表貼式永磁轉(zhuǎn)子和內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子電機(jī)的電磁性能進(jìn)行比較分析。

1 拼接式轉(zhuǎn)子基本結(jié)構(gòu)

圖 1(a) 所示為護(hù)套式內(nèi)置永磁轉(zhuǎn)子，采用獨(dú)立鐵心，將非磁性軸套外套在軸承上，在轉(zhuǎn)子最外側(cè)用高強(qiáng)度護(hù)套固定鐵心和磁鋼。最外側(cè)的護(hù)套在裝配時采取過盈配合，因此在護(hù)套固定下的鐵心和磁鋼在高速旋轉(zhuǎn)時也時刻處于壓緊的狀態(tài)，具備一定的機(jī)械可靠性。護(hù)套式轉(zhuǎn)子的局限在于護(hù)套增大了電機(jī)的等效氣隙，轉(zhuǎn)子磁場強(qiáng)度受限。如果要彌補(bǔ)氣隙的變大，就需要更多的磁鋼用量，增加了成本。圖1(b) 所示為槽楔式內(nèi)置永磁轉(zhuǎn)子，這種結(jié)構(gòu)也采用分塊鐵心和非磁性軸套。同時為了替代轉(zhuǎn)子外側(cè)的護(hù)套，這種結(jié)構(gòu)用梯形截面的槽楔將獨(dú)立鐵心和磁鋼定位。雖然這種槽楔式內(nèi)置永磁轉(zhuǎn)子與前者相比，沒有增加氣隙的等效厚度，但是槽楔與鐵心的接觸面應(yīng)力很大，轉(zhuǎn)子的可靠性不如前者，通常應(yīng)用在轉(zhuǎn)速較低的場合。

2 電機(jī)主要尺寸設(shè)計與有限元模型

2.1 電機(jī)的主要尺寸計算

徑向永磁電機(jī)的主要尺寸計算公式為[2]：

式中：

Pe—電機(jī)的額定功率；

KB—?dú)庀洞艌霾ㄐ我驍?shù)，對于正弦分布的氣隙磁場來說，KB=1.11，為定子內(nèi)徑；

l—鐵心疊長；

Kw—電機(jī)的繞組因數(shù)；

Aav—電機(jī)的平均電負(fù)荷：

Bδ—?dú)庀洞琶艿淖畲笾怠?/p>

圖1 拼接式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

表1 洗衣機(jī)用永磁同步電機(jī)設(shè)計參數(shù)

圖2 3種永磁同步電機(jī)模型

圖3 不同氣隙長度下電機(jī)的轉(zhuǎn)矩圖

2.2 電機(jī)的有限元模型

根據(jù)上節(jié)的主要尺寸公式，計算得到電機(jī)的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

利用ANSYS Maxwell軟件搭建的三種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)的二維模型如圖2所示電機(jī)模型，圖中的箭頭方向為實際永磁體的充磁方向。

3 電機(jī)參數(shù)對性能的影響

3.1 氣隙長度對電機(jī)性能的影響

電機(jī)的氣隙長度是決定轉(zhuǎn)矩大小和轉(zhuǎn)矩脈動的重要物理量，圖3給出了不同氣隙長度下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩圖，圖4給出了了和轉(zhuǎn)矩脈動對氣隙變化的敏感性。表2給出了不同氣隙長度的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動的具體數(shù)值。

拼接式永磁同步電機(jī)通的電流峰值是1.54 A，表貼式永磁同步電機(jī)和spoke型永磁同步電機(jī)通的電流峰值是1.785 A，這是因為拼接式轉(zhuǎn)子磁場強(qiáng)，為了便于與其它兩種轉(zhuǎn)子進(jìn)行比較，而有意降低了電流。

從圖4可以看出，拼接式永磁同步電機(jī)和spoke型永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動對氣隙長度較為敏感，隨氣隙變大而迅速下降，表貼式的反應(yīng)則較為遲鈍。

表2 氣隙長度對電機(jī)性能的影響

圖4 轉(zhuǎn)矩脈動隨氣隙的變化

表3 磁鋼厚度對電機(jī)性能的影響

3.2 永磁厚度對電機(jī)性能的影響

為了提高材料利用率及電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，在保持其他條件不變的前提下，研究磁鋼厚度對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響。仿真結(jié)果如表3所示。

從表3中可以看出，隨著磁鋼厚度的增加，表貼式轉(zhuǎn)子的磁鋼厚度增加時，而轉(zhuǎn)矩脈動變化較大，而轉(zhuǎn)矩大小變化遲鈍。拼接式的轉(zhuǎn)矩大小對磁鋼厚度變化較為敏感，因為拼接式結(jié)構(gòu)聚磁能力較強(qiáng)，可以更好地捕捉到磁鋼的變化。Spoke結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩大小和脈動則對磁鋼厚度的變化均表現(xiàn)得較遲鈍。

4 結(jié)論

本文研究了3種永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即表貼式徑向充磁、spoke型內(nèi)置切向充磁式和拼接式永磁同步電機(jī)，利用參數(shù)化掃描分析三種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩脈動以及轉(zhuǎn)矩密度與氣隙長度和磁鋼厚度的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，拼接式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)能有效提高磁鋼利用率，增加轉(zhuǎn)矩密度,降低轉(zhuǎn)矩脈動。