三相永磁容錯電機的結構設計分析

董吉　劉有維

摘 要：三相永磁容錯電機可以實現容錯的前提為其自身特殊的結構設計，進而使電機自身具備物理隔離、熱隔離、磁隔離以及電氣隔離等能力，合理有效的電機結構設計可以在一定程度上使電機的性能得以提高。

關鍵詞：永磁容錯電機；原則；內容

電機以及控制系統的故障主要由電機本身的繞組開路、相間開路故障、匝間短路以及功率變換電路的短路故障與功率變換電路的開路故障，所以需要從電機結構以及電機控制系統這兩個方面進行相關的容錯設計。傳統的永磁同步電機與開關磁阻電機兩者之間存在相互彌補的關系，因此需要將傳統的永磁同步電機與開關磁阻電機兩者的優點相結合，實現設計三相永磁容錯電機結構的目的。

一、永磁容錯電機設計的基本原則

傳統的永磁同步電機在處于故障的情況下，受各項繞組間的相互作用的影響，對電機正常運轉造成嚴重的阻礙作用，所以可見傳統的永磁同步電機不具有故障時的轉矩輸出功能，無法保證系統運行的可靠性以及穩定性。針對上述問題，相關的研究人員提出了永磁容錯電機這一方案，永磁容錯電機是在永磁同步電機的基礎上，通過改變槽口的尺寸以及繞組結構形式等實現容錯的效果。永磁容錯電機為了實現其自身容錯的性能，可以嘗試從以下兩個方面入手：第一方面，在電機發生故障時，應該盡可能減小故障相的電機繞組對正常相的干擾，上述方案可以通過對電機本體進行相對應的設計來實現；第二方面，在電機發生故障之后，需要保證電機系統可以輸出一定的轉矩來達到滿足負載要求的效果，進而實現系統可以可靠運行的目的，上述方案可以通過對故障進行檢測然后及時采取補救措施來實現，或者是通過采用合適的容錯控制策略來實現。

二、三相永磁容錯電機的結構設計

（一）三相永磁容錯電機主要的設計內容

盡管在設計方面，三相永磁容錯電機與傳統的電機存在很大程度上的差異，但是三相永磁容錯電機與傳統的電機還是存在部分相同的基本的設計內容，永磁容錯電機進行結構設計的設計內容包括電機磁路設計、電機主要尺寸設計、電機槽型參數以及定轉子軛部參數。

（二）電機磁路設計

電機的磁路設計，也就是根據所需設計的磁場的實際需求，對永磁體材料、磁極的尺寸以及磁極的形狀進行相對應的選擇，進而達到使永磁體的性能最大程度上發揮的效果，使磁路設計的合理性以及磁路設計的優質性得到最大程度上的實現，其中關于永磁體材料的選擇：根據永磁體材料的選擇原則，將不同的永磁材料的性能參數進行相對應的對比、分析，比如永磁體材料為粘結式衫鈷永磁材料，該材料具有較強的抗退磁能力，而且可以得到較大的電機功率密度，除此之外，粘結式衫鈷永磁材料的最大使用溫度為350攝氏度，可以較好的滿足設計中對電機相對應的需求；關于磁極性狀的確定：永磁電機的磁極與電勵磁電機的磁極是不相同，永磁電機的磁極為永磁體，其磁路的形式多種多樣，根據永磁體的位置、永磁體安置方式、永磁材料的種類以及永磁體的形狀等，可以將磁路分為很多種，比如根據安置方式進行相對應的分類可以分為，內置式和表貼式，根據永磁體的形狀可以分為環形磁極、爪形磁極、弧形磁極以及瓦片形磁極等，其中瓦片形磁極又由同心瓦片形磁極和等半徑瓦片形磁極這兩部分組合而成，等半徑瓦片形磁極同時可以稱之為離心式磁極。表貼式磁極具有可以增強繞組間的磁隔離能力，等半徑瓦片形磁極具有可以在一定程度上提高材料的利用率的優點，所以應該根據實際需求選擇合理有效的永磁體。

（三）磁極的尺寸設計

永磁體的尺寸參數包括永磁體磁化方向的寬度以及長度，在對永磁體磁化方向的寬度以及長度進行相對應的設計時需要考慮如下因素：永磁體磁化方向的長度不可以過于小，否則不僅會增加永磁體的生產成本，而且還會造成永磁體極易退磁；在對永磁體磁化方向的長度進行相關的設計過程中，需要盡最大可能使永磁體工作于最佳狀態，這是因為在很大程度上永磁體的工作點取決于自身的磁化方向長度；因為永磁體的磁化方向寬度與永磁體提供的磁通的面積息息相關，所以在對永磁體磁化方向寬度進行相關的設計過程中，要根據電機性能的要求對永磁體的磁化方向寬度進行針對性的調整措施。

（四）電機槽型參數設計

電機槽型參數主要由定子齒寬度、槽口寬度、槽的深度以及槽口厚度等組合而成。其中關于定子齒參數，已知定子齒的最大磁密，通常情況下其取值在1.4T～1.6T之間，然后將定子齒的最大磁密代入相關的公式中即可求得定子齒寬，通常情況下，定子齒高是定子齒寬的1.5倍～3倍之間不等，在設計過程中可以結合槽內的電流密度對定子齒高與定子齒寬之間的倍數進行不斷的核實，對兩者之間的倍數進行不斷核實的目的為，假如倍數過大，那么定子軛部就極有可能出現飽和的現象。進而造成電磁轉矩的減小，假如倍數過小，那么繞組電流密度就極有可能超出安全值。在三相永磁容錯電機設計過程中，繞組的安全電流密度取值與電機的冷卻方式息息相關，因此應該根據三相永磁容錯電機實際的冷卻方式，對繞組的實際安全電流密度取值進行針對性的選擇。

根據確定的基本電磁參數，對電機進行相對應的設計，使電機的永磁體尺寸、槽繞組參數以及定轉子尺寸等進行確定，在完成設計電機之后，利用有限元軟件進行仿真，仿真從磁力線分布、磁密分布、繞組電感、齒槽轉矩以及空載反電動勢波形等方面入手，對電機設計的合理性、有效性進行相關的驗證。

三、 小結

永磁容錯電機不僅具有永磁同步電機功率密度大，以及效率較高的優點，而且還具有一定的容錯特性，所以越來越多的人員開始對永磁容錯電機進行相關的研究，而且永磁容錯電機特殊的結構更促進其容錯性能，因此對三相永磁容錯電機的結構設計進行分析具有十分重要的意義。

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