不同磁極結(jié)構(gòu)對高速永磁同步電動機(jī)磁場影響分析

胡月菊，方瑞明，葉志軍

(華僑大學(xué)，廈門361021)

0 引 言

高速永磁同步電動機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、動態(tài)響應(yīng)快、同等條件下結(jié)構(gòu)尺寸小、功率密度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在航空工業(yè)、通用工業(yè)和紡織、能源等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，因此提高高速永磁電機(jī)的性能也顯得越來越重要。

傳統(tǒng)表貼式內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、易于制造，但電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的離心力容易損壞永磁體，在加護(hù)套的情況下又易增加氣隙有效長度，從而增加永磁體的用量而增加成本。另一方面，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)也易產(chǎn)生振動，增加電機(jī)噪聲。為設(shè)計(jì)出高性能的永磁電機(jī)，近些年來，諸多學(xué)者對不同表貼式永磁電機(jī)進(jìn)行了研究分析。文獻(xiàn)［1］分析了不同偏心距對永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，指出隨著偏心距的增加，氣隙磁密徑向分量的大部分系數(shù)減小，此情況下可通過不等厚磁極結(jié)構(gòu)來降低齒槽轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)［2］指出了不等厚磁鋼對永磁無刷直流電動機(jī)空載氣隙磁場和轉(zhuǎn)速的影響，對比分析了不同偏心距時(shí)空載氣隙磁場變化及對電機(jī)空載轉(zhuǎn)速的影響，得出隨著偏心距的增加，極間漏磁系數(shù)逐漸增加，空載轉(zhuǎn)速也隨之增加。文獻(xiàn)［3 -4］對Halbach 型永磁電機(jī)磁場進(jìn)行了分析，表明Halbach 型永磁電機(jī)具有較好的正弦特性及磁屏蔽性能。文獻(xiàn)［5］還進(jìn)一步研究了充磁角度對Halbach 型磁鋼結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的氣隙磁通密度影響，并給出了極間有間隔的Halbach 磁體充磁角度的計(jì)算公式。

因2 極永磁同步電動機(jī)便于永磁體采用整體結(jié)構(gòu)，以保證永磁體機(jī)械和電磁性能的對稱性，4 極結(jié)構(gòu)相對于2 極電機(jī)在結(jié)構(gòu)尺寸相同的條件下可提高電機(jī)功率密度，所以高速永磁同步電動機(jī)通常采用2 極或4 極結(jié)構(gòu)［6］。本文利用有限元方法分別研究了2 極、4 極電機(jī)的傳統(tǒng)磁極結(jié)構(gòu)、不等厚磁極結(jié)構(gòu)和Halbach 型磁極結(jié)構(gòu)的高速永磁電機(jī)的氣隙磁密分布特點(diǎn)并對比分析，并討論不同磁極結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)所適用的場合。

1 3 種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

以表面凸出式、4 極電機(jī)結(jié)構(gòu)圖為例進(jìn)行說明。傳統(tǒng)形式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，永磁體采用瓦片形，貼在轉(zhuǎn)子鐵心。不等厚永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，磁極內(nèi)外徑不同心，內(nèi)徑對應(yīng)的圓心為O，外徑對應(yīng)的圓心為O'，此時(shí)磁極厚度h'(θ)和氣隙長度δ'(θ)隨位置角θ 變化。偏心距h 為O 到O'之間的距離，h 不同，則氣隙磁密徑向分量的分布也不同。磁極不等厚時(shí)，氣隙磁密徑向分量可表示［2］:

Halbach 型結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子每極磁鋼由多塊永磁體組成。本文所分析的Halbach 型轉(zhuǎn)子每極磁鋼包括5 塊永磁體，如圖1(c)所示，采用正弦充磁方式，充磁夾角β［7］:

式中:p 是極對數(shù);m 為每極永磁體的分塊數(shù)。

圖1 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

2 永磁電機(jī)的有限元分析模型

為便于分析計(jì)算，基于以下假設(shè)條件建立高速永磁電機(jī)磁場分析模型:

(1)采用二維靜態(tài)磁場分析，不計(jì)電機(jī)端部效應(yīng)，且磁場沿軸向均勻分布;

(2)忽略電機(jī)外部漏磁場，定子外表面圓周和轉(zhuǎn)子內(nèi)表面為零磁矢位面;

(3)忽略鐵磁材料中的渦流損耗和磁滯損耗。

由以上假設(shè)取整個(gè)電機(jī)截面作為求解區(qū)域，設(shè)磁矢位Az為求解函數(shù)，利用有限元分析軟件建立高速永磁電機(jī)模型，其電磁場問題可表示成邊值問題:

式中:γ 為磁阻率;Az為磁矢位;Γ1，Γ2分別為第一、二類邊界。

式(1)等價(jià)為條件變分問題如下:

式中:Ω 為所分析電機(jī)的求解區(qū)域。

3 高速永磁電機(jī)有限元磁場分析

為比較不同磁極結(jié)構(gòu)對高速永磁電機(jī)性能的影響，依照表1 參數(shù)建立傳統(tǒng)磁極結(jié)構(gòu)、不等厚磁極結(jié)構(gòu)以及Halbach 型磁極結(jié)構(gòu)高速永磁電機(jī)仿真模型，分析不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下高速永磁電機(jī)磁場的分布情況。

表1 高速永磁電機(jī)參數(shù)表

3.1 2 極高速永磁電機(jī)氣隙磁場對比分析

圖2 為三種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的2 極高速永磁電機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度B 分布矢量圖。

圖2 2 極電機(jī)不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布矢量圖

圖2(a)中定轉(zhuǎn)子軛部磁密較高，易發(fā)生磁路飽和;圖2(b)定轉(zhuǎn)子軛部磁密相對較小并較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分布均勻;圖2(c)磁密分布均勻，磁鋼處磁密相對較大，隨著距磁體的距離增加，磁通發(fā)散量逐漸增加。

圖3 為三種磁極結(jié)構(gòu)的2 極高速永磁電機(jī)在同一磁極下、平均氣隙半徑處的氣隙磁密分布對比圖。圖4 為該情況下氣隙磁密的各次諧波含量分布情況。

圖4 2 極永磁電機(jī)氣隙磁密諧波分解

由圖4 可見，傳統(tǒng)磁極結(jié)構(gòu)氣隙磁密比不等厚磁極結(jié)構(gòu)大，Halbach 結(jié)構(gòu)氣隙磁密更接近于正弦波。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基波幅值約為0.34 T，不等厚磁極結(jié)構(gòu)約為0.38 T，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)高約11.8%，而其他次諧波均小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。Halbach 結(jié)構(gòu)約為0.57，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)高67%左右，除3 次、11 次諧波外，其它次諧波均高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和不等厚磁極結(jié)構(gòu)，5 次諧波尤甚，且由于Halbach 型磁極機(jī)構(gòu)隨著每極磁鋼分塊數(shù)的增加更趨近正弦波［2］，較適用于永磁同步電動機(jī)。

3.2 4 極永磁電機(jī)氣隙磁場對比分析

圖5 為三種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的4 極高速永磁電機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度B 分布矢量圖。

圖5 4 極電機(jī)不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布矢量圖

圖5(a)、圖5(b)中磁鋼磁密在極間達(dá)到最大，但圖5(b)增加了極間漏磁，磁通密度較圖5(a)小，且文獻(xiàn)［3］指出，不等厚磁極結(jié)構(gòu)當(dāng)磁極偏心距增加時(shí)，氣隙磁密波形的平頂寬度將減小，更趨近正弦波，所以不適合應(yīng)用于無刷直流電動機(jī);圖5(c)中磁鋼處磁密均勻分布，轉(zhuǎn)子軛部磁路較寬松，磁密較小，此結(jié)構(gòu)的電動機(jī)可采用較小的轉(zhuǎn)子鐵心軛厚度，這對降低電機(jī)的體積和質(zhì)量，從而提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度極為有利。此外，Halbach 型磁極結(jié)構(gòu)的極間漏磁較小，具有較好的磁屏蔽性能。

圖6 為三種磁極結(jié)構(gòu)4 極高速永磁電機(jī)在同一磁極下、平均氣隙半徑處的氣隙磁密分布對比圖。圖7 為該情況下氣隙磁密的各次諧波含量分布情況。

圖7 4 極永磁電機(jī)氣隙磁密諧波分解

由圖7 可見，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和不等厚磁極結(jié)構(gòu)的氣隙磁密波形更接近于方波，而Halbach 型磁極結(jié)構(gòu)更趨近于正弦波。此外，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基波幅值約為0.17 T，不等厚磁極結(jié)構(gòu)約為0.22 T，較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)高約29%，其它次諧波幅值均小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu);Halbach 基波幅值約為0.35，較傳統(tǒng)磁極結(jié)構(gòu)高約106%，較不等厚磁極結(jié)構(gòu)高約59%，其它次諧波均小于傳統(tǒng)和不等厚磁極結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 語

通過對比分析3 種磁極結(jié)構(gòu)的2 極和4 極高速永磁電機(jī)磁場分析，可得:

(1)4 極電機(jī)磁鋼磁密分布較2 極均勻，2 極電機(jī)氣隙磁密基波幅值更高，氣隙磁密值也較大。

(2)Halbach 結(jié)構(gòu)諧波含量小，轉(zhuǎn)子軛部磁密較低，可發(fā)揮磁鋼更大的性能，較適合永磁同步電動機(jī)。

(3)不等厚磁極結(jié)構(gòu)雖能達(dá)到減振降噪的效果，但會使極間漏磁增加，降低永磁體的利用率，增大電機(jī)的體積及成本。

［1］ 王秀和.永磁電機(jī)［M］.北京:中國電力出版社，2011:91 -93.

［2］ 張學(xué)成，楊向宇，曹江華.不等厚磁極對無刷直流電動機(jī)性能分析［J］.微特電機(jī)，2014，42(2):9 -13.

［3］ WANG Xiu -lian，MA Xiu - li，YUAN Xue - zhong. Analysis of Magnetic Field for Inner Rotor Coreless Permanent Magnet Machines with Halbach Array［C］// 2011 International Conference on. Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices(ASEMD).Sydney，2011:335 -338.

［4］ 李立毅，李鵬，吳紅星.永磁直線同步電動機(jī)Halbach 陣列磁場分析［J］.微電機(jī)，2009，42(4):8 -10.

［5］ 李延升，竇滿峰，張春雷.Halbach 型磁鋼的永磁電機(jī)氣隙磁場解析計(jì)算［J］.微電機(jī)，2013，46(3):6 -9.

［6］ 王繼強(qiáng)，王鳳翔，孔曉光.高速永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與電磁場性能分析［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(20):105 -110.

［7］ 李延升，竇滿峰，趙冬冬.磁鋼充磁方式對表貼式永磁電機(jī)磁場影響分析［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2011，15(12):26 -31.