12槽10極磁通切換型永磁同步電機設計與分析

周成虎，孔婉琦，黃明明

(1.河南工程學院，鄭州 451191；2.河南牧業經濟學院，鄭州 450044)

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12槽10極磁通切換型永磁同步電機設計與分析

周成虎1，孔婉琦2，黃明明1

(1.河南工程學院，鄭州 451191；2.河南牧業經濟學院，鄭州 450044)

磁通切換型永磁同步電機因其定轉子拓撲簡單、結構緊湊、轉矩密度大、故障率低等優點，能夠實現電機在較寬速度范圍內運行調速，適用于風力發電、混合動力汽車等領域。在深入分析磁通切換型永磁同步電機磁通切換工作原理基礎上，設計了一臺12槽10極磁通切換型雙凸極電機，采用有限元方法計算了電機的氣隙磁場、永磁磁鏈和反電動勢、齒槽轉矩以及輸出轉矩等電磁特性。最后通過一臺3 kW樣機對其轉矩特性進行了實驗驗證，實驗結果與有限元仿真結果一致，驗證了上述方法的正確性。

磁通切換；永磁同步電機；轉矩特性；齒槽轉矩

0 引 言

近年來，永磁同步電機(以下簡稱PMSM)以其結構簡單、功率密度高、運行可靠性好以及維護成本較低而得到較大發展。PMSM采用高能永磁體作為磁勢源能夠提供大的磁動勢，使得電機力能指標得到較大提升[1]。并且與傳統電勵磁電機相比，電機鐵耗和銅耗大幅下降，在電機體積重量減小的同時電機功率因數得到提高， PMSM可以在接近單位功率因數狀態運行，因此在多個工業領域越來越引起人們重視。傳統PMSM多采用轉子永磁式結構，為滿足不同應用場合需要，轉子型永磁同步電機結構較為靈活多樣，依據永磁體位置不同PMSM通?？煞譃楸碣N式、Halbach式和內嵌式三種結構，不同轉子結構能使得PMSM電磁性能不盡相同。但轉子型永磁型PMSM主要存在散熱困難和離心力過大問題，前者使得電機溫升容易過高，導致電機容易發生故障，并且較大的溫升也會使得永磁體產生不可逆退磁現象，設計者在設計電機時需要留出一定冗余量，造成電機出力不足、功率密度難以提升，制約了電機性能的提升[2]。此外，當轉子部分高速旋轉時電機產生較大的離心力，此時對轉子永磁體安裝有著特殊要求，若轉子永磁安置不佳，則容易出現永磁體被甩出的情況，通常處理方法為采用額外的加固部件對轉子部分進行固定，以確保電機的機械強度，然而增加的固定裝置提升了電機結構的復雜度，也使得制造成本有所增加[3]。

磁通切換型永磁同步電機(以下簡稱FSPMSM)則能夠克服以上兩個問題，通過采用定子永磁結構，將永磁體嵌入布置在定子齒上，轉子采用凸極齒輪式結構，整個電機采用集中式電樞繞組連接，使電機結構得到大大簡化，同時定子內嵌式永磁體結構使得電機在功率密度、轉矩密度和功率因數方面有著較好表現，同時也降低了永磁體的退磁風險，在風力發電、電動汽車、艦船推進等應用場合有著較好的應用前景[4]。因此，圍繞FSPMSM新型拓撲、電磁參數計算、靜態分析以及高效控制算法等方面，國內外學者展開了相關研究，取得了一系列研究成果[5-7]。與同尺寸PMSM相比，FSPMSM具有較優的調速區間，因此本文從分析FSPMSM工作原理入手，設計了一臺12槽10極FSPMSM，并計算和分析了其電磁特性，最后制作了一臺3 kW三相12槽10極FSPMSM樣機并進行了實驗驗證。

1 FSPMSM結構及磁通切換原理

定子永磁型三相FSPMSM拓撲結構如圖1所示，繞組連接如表1所示。

(a)電機結構及繞組排列(b)三維剖面圖

(c) 繞組連接星槽圖圖1 12槽10極FSPMSM拓撲及繞組排列 表1 12槽10極FSPMSM繞組連接

槽號1234…上層邊A+B+B-C-…下層邊…A-B-B+C+

圖1(a)為電機平面結構圖，定轉子采用12槽10極配合，定子部分采用12個U型模塊導磁鐵心, 每一個定子齒內嵌永磁體，形成12片切向交替充磁的永磁體。電機轉子采用齒輪式凸極結構，類似于傳統開關磁阻電機轉子部分。圖1(b)為電機三維剖面圖，可觀察到轉子部分采用齒輪式凸極無繞組形式，結構簡單，與傳統轉子永磁型PMSM相比，此類型電機顯然在降低溫升方面有著較優表現，適合于大轉矩推力以及對溫升較為敏感的精密加工領域表1為其繞組連接，整個電機繞組沿圓周均布采用三相集中式結構，采用周期性A+A-B+B-C+C-連接,每相繞組分別由4 個線圈構成。繞組端部較分布式繞組減小較多，能夠大大節省繞組銅導線用量，從而減小端部效應大大降低電機端部損耗，電機效率得到提升。同時此電機繞組具有互補性特點，可以大大減少甚至抵消永磁磁鏈、反電勢波形中的高次諧波分量，即使轉子不采用斜槽結構仍可獲得較高正弦度的波形。圖1(c)為其星槽圖，此12槽10極電機結構繞組因數高達0.960，遠大于12槽其它極槽組合電機繞組系數，相同繞組數時能夠產生更大的反電勢。

所謂磁通切換原理，是指隨著轉子轉動，磁鏈會隨之發生方向和數量改變，產生正負極性交變和數值大小變化。電機的一個電周期即為一個轉子極距，對應著磁通數值隨磁鏈從進入繞組到穿出繞組在最大與最小之間變化[8]。當凸極轉子在穿出和穿入兩個位置之間持續運動時，電樞繞組匝鏈的永磁磁鏈就不斷地在正負最大值范圍內呈重復性周期變化，繞組兩端產生出幅值和相位交替變化的反電勢，此過程即被稱為“磁通切換”。

2 12槽10極FSPMSM尺寸確定

與傳統磁通切換磁阻電機類似，FSPMSM定子均采用集中式繞組，轉子采用凸極設計。當確定所設計FSPMSM功率以及定轉子極槽數目后，電機定子外徑可通過功率尺寸方程求得[9]：

(1)

式中：Dg為電機外徑；Pout為額定輸出功率；Z為電機定子數；n為轉速；Bgmax氣隙永磁磁密峰值；As為線負荷；Pr為永磁體極對數；η為電機效率；kd為波形系數；ke為漏磁系數；cosθ為功率因數。

電機軸向有效長度Lef為：

(2)

式中：λ為電機外徑與軸向長度的比值，通常初始取值在0.40～0.65范圍之間。

電機每相繞組數Nc為：

(3)

式中：U為電機的額定電壓。

氣隙中心線處最大氣隙磁通密度Φmax為：

(4)

輸出轉矩T表達式：

(5)

基于上述分析，設計一臺12槽10極FSPMSM，輸出功率Pout為3kW，其基本尺寸如表2所示。

表2 12槽10極FSPMSM基本尺寸

3 FSPMSM靜態電磁特性分析

圖2為12槽10極FSPMSM的磁場分布，剖分時在定子軛部增加一層空氣區域以分析其外部漏磁情況，網格剖分結果如圖2(a)所示，磁力線分布如圖2(b)所示，磁密云圖如圖2(c)所示。

(a)剖分圖(b)磁力線分布

(c) 磁密云圖圖2 12槽10極FSPMSM磁場分布

由圖2(a)網格剖分結果可看出其網格剖分質量較好。對于圖2(b)，從其磁力線分布中可以明顯看出其10極結構。對于圖2(c)磁密云圖，因其采用定子永磁型結構，在軛部有稍許漏磁，同時定子內嵌永磁體處磁密較為飽和。

圖3為12槽10極FSPMSM徑向氣隙磁密分布。

圖3 12槽10極FSPMSM氣隙磁密分布

由圖3可以看出此電機的氣隙磁密波形分布不規則，諧波分量稍多，類似于傳統的開關磁阻電機。同時由于永磁體是切向交替充磁的，使得電機聚磁效應明顯，兩塊永磁體產生的磁通會聚在一起穿過氣隙進入轉子齒，即使不可避免地有相當的漏磁通，該電機的氣隙磁密依然遠遠高于其它類型永磁電機，由圖中可以看出磁密峰值可以達到2.4 T，而較高的氣隙飽和程度能夠匝鏈更多的繞組磁通，使得電機輸出轉矩大大增加。

由圖1(a)可知，12槽10極FSPMSM每相繞組有4 個線圈, 其中兩兩相對的線圈分別呈180°對稱。以A相為例，由于水平方向上A+和A-同屬A相, 每相磁通為兩個線圈磁通疊加之和，同理反電勢同樣滿足此疊加原理。疊加后的電機磁鏈和反電勢分布如圖4所示。

(a)磁鏈波形(b)反電勢波形

圖4 12槽10極FSPMSM磁鏈與反電勢波形

由圖4可以看出，所設計磁通切換電機磁鏈和反電勢波形均呈現雙極性，并且電機磁通和反電勢正弦度較好，表明電機諧波分量較小。

電樞繞組電流密度對電機性能有著大的影響，取電流密度從2.5 A/mm2到6.5 A/mm2變化，12槽10極FSPMSM輸出轉矩隨電流密度變化如圖5所示。

圖5 輸出轉矩隨電流密度變化曲線

由圖5可以看出，所設計FSPMSM輸出轉矩隨著電流密度升高而增加， 但是電流密度的增大會帶來電機溫升的增大，同時可以看出，在電流密度超過4.5 A/mm2后，電機轉矩提升并不明顯，因此考慮溫升及損耗因素后，本電機設計電流密度取值為4.5 A/mm2。

FSPMSM一個顯著特點是有著較大的輸出轉矩，為驗證其大的輸出轉矩特性，這里選取某商用PMSM(P=3 kW,n=1 500 r/min)與其進行對比，二者轉矩輸出特性曲線如圖6所示。

由圖6可以看出所設計FSPMSM其輸出轉矩為19.1 N·m，而同功率傳統PMSM輸出轉矩為15.2 N·m，因此同功率FSPMSM較傳統轉子永磁型PMSM輸出轉矩增加20.4%左右，且隨著電機功率等級的增加，其在得到大轉矩輸出的同時，所特有的電機結構使得散熱較傳統永磁同步電機有明顯提升。

圖6 12槽/10極FSPMSM轉矩特性

齒槽轉矩是衡量電機性能優劣的重要指標，其由電機定轉子間開槽所引起的，是電機噪聲、振動的主要來源。12槽10極FSPMSM齒槽轉矩優化前后對比如圖7所示。

圖7 12槽10極FSPMSM齒槽轉矩優化前后對比

從圖7可以看出，在保證高轉矩輸出能力的同時，也必然導致了其齒槽轉矩較大，優化前其齒槽轉矩值為約1.2 N·m，接近輸出轉矩的6.2%。大的齒槽轉矩會帶來電機運行時有較大噪聲和振動，嚴重時導致電機不能正常工作。因此應盡可能降低齒槽轉矩值，可看到優化后的齒槽轉矩值為0.40 N·m，約為輸出轉矩的2.1%，滿足工程應用精度要求。

4 仿真分析與實驗論證

基于上述有限元計算和分析，筆者設計了一臺3 kW三相12槽10極FSPMSM，繞組形式采用集中式三相繞組，其主要參數如表3所示。

表3 三相12槽10極FSPMSM樣機主要參數

以所設計電機為測試對象，連同轉矩測試儀等器件搭建了12槽10極3 kW FSPMSM實驗平臺，如圖8所示。

基于此實驗平臺，為了驗證所設計電機性能，采用示波器、光電編碼器，連同轉矩(扭矩)測試儀測量了其反電勢、輸出轉矩，并與有限元計算值進行對比，分別如圖9、圖10所示。其中轉矩測試時采用效率較高的矢量控制方法[10]，電機額定運行時A相電流波形如圖11所示。

圖8 磁通切換型永磁同步電機實驗平臺

圖9 實測反電勢波形圖10 實測輸出轉矩

圖11 電流測試波形(A相)

由圖中可以看出，電機轉速在1 500r/min時， 實測值與有限元計算總體趨勢一致，實測反電勢峰值略低于理論值，而最大輸出轉矩約為18.5N·m，與輸出轉矩理論值相19.1N·m相比，實測輸出轉矩有稍許跌落，主要原因在于電機制造加工精度以及繞組端部效應所引起的損耗。

5 結 語

在對FSPMSM磁通切換原理深入分析基礎上，給出了其基本電磁設計表達式，設計了一臺12槽10極磁通切換型永磁同步電機，采用有限元方法分析并計算了電機氣隙磁密、磁鏈、反電勢、齒槽轉矩和輸出轉矩等靜態特性。最后通過設計一臺3kW12槽10極FSPMSM樣機對上述設計、分析與計算進行了實驗驗證，通過實測反電勢、輸出轉矩波形與有限元計算結果比較，驗證了上述分析和設計的正確性，表明此類電機在輸出轉矩、冷卻等方面由于傳統永磁同步電機，對進一步研究此類電機在較小體積和質量、較大出力等限制較多場合應用有一定參考價值。

[1] 張建忠,程明,朱孝勇,等.新型整距繞組雙凸極永磁電機工作原理及特性[J].電工技術學報,2009,24(2):2-7.

[2] 潘秋萍,劉成成,張萍.一種外繞組結構的磁通切換永磁電機設計[J].微特電機,2014,42(8):9-11.

[3] 李健，王愛元，李全峰，等.弱磁型混合勵磁磁通切換電機的結構與原理分析[J].微特電機,2015,43(2):8-11.

[4] 王萍,全力,朱孝勇.新型永磁磁通切換電動機的電磁性能及溫度分析[J].微特電機,2014,42(3):25-28.

[5] 朱孝勇,劉修福,全力.新型磁通切換電機優化設計與動態建模仿真[J].電機與控制應用,2012,39(12):1-6.

[6] 許澤剛,謝少軍,許津銘.12 /10 極混合勵磁磁通切換電機的快速設計[J]．電機與控制學報,2013,17(3):76-83．

[7] 花為,程明,ZHU Z Q.新型磁通切換型雙凸極永磁電機的靜態特性研究[J].中國電機工程學報,2006,26(13):129-134.

[8] HUA Wei,CHENG Ming,ZHU Z Q,et al.Study on static characteristics of a novel two-phase flux-switching doubly-salient permanent magnet machine[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2006,2l(6):70-77．

[9] 王光偉，竇滿峰，楊易.小型永磁同步發電機設計仿真研究[J].微電機,2010,43(11):20-23．

[10] 裴召剛，林明耀，趙紀龍，等.軸向磁場磁通切換型永磁電動機運行性能實驗研究[J].微電機,2013,46(8):38-41．

Design and Analysis of 12 Slots/10 Poles Flux Switching Permanent Magnet Synchronous Machine

ZHOUCheng-hu1,KONGWan-qi2,HUANGMing-ming1

(1.Henan Institute Engineering,Zhengzhou 451191,China；2.Henan University of Animal Husbandry and Economy，Zhengzhou 450044,China)

With the features of stator and rotor′s simple structure, compact design, high torque density and low failure rate, flux switching permanent magnet synchronous machine (FSPMSM) can effectively broaden the performance speed range in the fields of wind power generation and hybrid vehicles applications. Based on the analysis of the working principle of this machine, one 12 slots 10 poles FSPMSM was designed by FEM, in additional, the corresponding air-gap flux density, the flux linkage, the back EMFs, cogging torque and output torque of the machine are calculated. Finally, a 3 kW prototype was designed to investigate the mentioned analysis and calculation above. The experimental results are consistent with the FEM results, which verify the correctness of above methods.

flux switching； permanent magnet synchronous machine (PMSM)； torque characteristic; cogging torque

2015-07-13

國家自然科學基金項目(61403123)；河南省教育廳科學技術研究重點項目(14A510010)

TM341；TM351

A

1004-7018(2016)07-0030-04

周成虎(1973-)，男，碩士，講師，研究方向為電機與電器、非接觸電能傳輸技術。