新型永磁電機轉子磁路結構設計與分析

徐鋒

摘 要 本文提出的新型永磁同步電機轉子磁路結構，能夠使永磁同步電機同時具有內置式轉子磁路結構和表貼式轉子磁路結構的各自優點。同時采用該磁路結構后，能夠使平行充磁的轉子磁鋼具有等效的徑向充磁效果。并且能夠增加轉子的機械強度，提高電機的運行轉速。避免轉子在高速運行或沖擊振動過程中對磁鋼的損壞。通過對磁路結構的特殊設計，使電機的轉子磁路特性接近于一般的表貼式磁鋼結構，因此對電機的控制更加簡單可靠；并且由于轉子每極采用兩片磁鋼，使平行充磁的磁鋼達到了徑向充磁的目的，從而改善了電機反電勢波形、降低了齒槽轉矩。

關鍵詞 永磁同步電機；轉子結構；諧波畸變率；交直軸電感

中圖分類號 TM34 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）16-0079-03

與傳統的電勵磁同步電機相比，永磁同步電動機具有效率高、結構簡單、體積小、重量輕的特點。從控制角度分析，永磁同步電機的轉矩特性與直流電機相似，因此，具有調速范圍寬，控制系統簡單、快速的優點[1]。在新能源汽車驅動、航空航天、伺服傳動等控制精度要求高、運行可靠的領域得到廣泛應用。

從永磁同步電機磁鋼的安裝方式劃分，可以將永磁同步電機分為表貼式永磁同步電機（SPM）和內置式永磁同步電機（IPM）兩種[2]。內置式永磁同步電機由于磁鋼嵌在鐵芯內部，轉子結構更加可靠，使磁鋼能夠承受更高的轉速和沖擊。但由于內置式轉子磁路的直軸磁導小于交軸磁導，使電機的交直軸電感不相等，并且交直軸磁路具有交叉影響，大大增加了對內置式電機控制的難度，使控制系統更加復雜；表貼式永磁電機的磁鋼貼在轉子表面，固定方式簡單，但可靠性較差。雖然在實際應用中，可以采用綁扎等固定措施，但增加了氣隙長度，影響電機的運行性能[3-4]。

本文針對兩種磁路結構存在的缺點，提出了新型永磁同步電機轉子磁路，該磁路結構同時具有內置式和表貼式轉子磁路結構的各自優點，提升了電機的整體性能。并進行了有限元仿真分析，最后通過樣機試驗測試，驗證了該磁路結構的可靠性。

1 數學模型

圖1為傳統的永磁同步電機轉子磁路結構。即表貼式磁路結構和內置式磁路結構。

圖1（a）為表貼式轉子磁路結構，該結構磁鋼固定在轉子表面，由于磁鋼的磁導率與空氣的磁導率近似相等，因此該磁路結構屬于隱極式結構，即電機的交直軸電感近似相等。圖1（b）為內置式轉子結構，由于磁鋼的磁導率與硅鋼片的磁導率相差較大，因此該磁路結構屬于凸極式結構，即電機的直軸電感小于交軸電感。

根據永磁同步電機的雙反應理論，當電機的交直軸坐標系以同步轉速旋轉，并且交軸超前直軸90°電角度。可得到永磁同步電機的轉矩公式[5]：

（1）

式中，p—永磁電機的極對數；ψf—磁鋼的永磁磁鏈；iq—交軸電流：id—直軸電流；Ld—直軸電感；Lq—交軸電感。

忽略溫度的影響，可將磁鋼的磁鏈ψf視為一個常量。對于表貼式永磁同步電機，交、直軸電感相等，此時只需控制交軸電流，即可實現對電機的控制。而對于內置式永磁同步電機，其交、直軸電感不等，電機除具有永磁轉矩外，還具有磁阻轉矩。同時交、直軸電感受鐵芯飽和與諧波因素的影響，無法通過仿真手段準確計算，所以內置式磁路結構電機的控制更加復雜[6]。

通過對以上內容的分析，本文提出了新型的永磁同步電機轉子磁路結構，如圖2所示，該磁路結構能夠滿足磁鋼在高速運行和沖擊條件下的可靠性，同時使電機的交直軸電感設計值基本一致，因此該電機的控制方式與表貼式結構基本相同，使電機控制更加簡單。

本文提出的新型轉子磁路結構，具有以下優點。1）該轉子結構，在直軸方向上設計有隔磁磁橋，增加了直軸電感。在交軸方向上開孔，減小交軸電感。通過該設計使電機的交、直軸電感近似相等。從而具有與表貼式電機相似的特性。2）磁鋼內置于轉子鐵芯磁鋼槽中，增加了轉子的強度，使其與內置式轉子結構具有相同的機械性能。3）通過調整磁鋼的布置方式，使采用平行充磁工藝的磁鋼具有近似徑向充磁的效果。4）該磁鋼結構能夠有效利用轉子尺寸，具有聚磁效果，提高每極下的磁通量。5）該轉子結構能夠減小氣隙長度，提高氣隙磁場，從而減少磁鋼等有效材料的用量，降低產品的成本。

2 電磁場有限元計算方法

本文在電機電磁方案計算中采用了二維平面電磁場時步有限元結合場路耦合的方法，采用該計算方法的優點是能夠考慮機械運動、導體區域感應渦流產生的集膚效應以及繞組鄰近效應的影響，通過合理的簡化模型，可以獲得較高的計算精度和合理的計算時間[7]。

永磁同步電機電磁場時變問題中的Maxwell方程組表達式為：

（2）

當考慮到電機鐵芯的飽和因素，則非線性時變運動電磁場問題的偏微分方程表達式[8]為：

（3）

式中：A—矢量磁位；Js—外部強加的源電流密度；v—媒質的磁阻率；V—媒質相對坐標系的運動速度；—媒質的電導率。

3 電磁場仿真計算與分析

根據上述分析，針對以上轉子磁路結構類型，本文建立了3種磁路結構的模型，分別是表貼式、內置式和本文提出的新磁路結構。

該永磁同步電動機的定子槽數（36槽）及結構尺寸相同。轉子采用不同的磁路結構，即表貼式轉子磁路結構、內置式轉子磁路結構和本文提出的新型磁路結構。轉子極數為8極。

圖3、圖4和圖5分別為表貼式轉子磁路結構、內置式轉子磁路結構（轉子磁路為一字型結構）、以及本文提出的新型轉子磁路結構。

建立有限元仿真模型后，將分別計算3種磁路結構的空載反電動勢波形，電機運行轉速為1 000rpm，磁鋼溫度20℃。圖6、圖7和圖8分別是表貼式轉子磁路結構的空載反電動勢波形、內置式轉子磁路結構的空載反電動勢波形和本文提出的新型轉子結構的空載反電動勢波形。endprint

通過對比圖6、圖7和圖8的有限元仿真計算結果可知，當采用本文提出的新型轉子磁路結構時，電機空載反電動勢波形具有更高的正弦度，諧波含量最低，其諧波畸變率約為0.3%，遠小于表貼式結構的2.6%和內置式轉子結構的1.1%。

在空載工況下，對3種磁路結構電機的交直軸電感進行有限元仿真分析，得到電機交、直軸電感隨時間的變化波形。計算結果如圖9、圖10、圖11所示。

圖9為表貼式轉子結構的交直軸電感仿真結果。由于表貼式電機的交直軸磁導近似相等，因此仿真曲線中交直軸電感相近，即電機的凸極率近似為1。由圖10可知，內置式電機的交直軸電感相差較大，其凸極率約等于1.5。圖11為本文提出的新型轉子磁路結構的電感仿真曲線，該結構的凸極率約為1.06，十分接近表貼式轉子結構的凸極率，所以該磁路結構的控制方式與表貼式電機基本一致，使電機的控制方式更加簡單。

4 試驗驗證

本文對新型轉子磁路結構電機進行設計分析，根據設計參數制作了樣機，并對樣機的空載反電動勢波形以及電機線電感進行試驗測試。圖12為新型轉子結構樣機空載反電動勢波形。實測反電動勢有效值與仿真計算值誤差2.6%，滿足工程設計要求。

本文通過對新型轉子結構樣機電感測試，得到樣機線電感最大值約為105μH，線電感最小值約為90μH，因此其凸極率約為1.16，遠低于內置式電機的凸極率，與表貼式電機的凸極率接近。

5 結論

本文提出了一種新型永磁同步電機轉子磁路結構，通過分析得出以下結論。1）本文提出的新型永磁同步電機轉子磁路結構，能夠實現電機的高速運行，提高了磁鋼在高速運行和沖擊振動下的安全性。2）通過優化設計電機的交直軸磁路，使該電機的交直軸電感近似相等，凸極率接近1，與表貼式轉子結構相同，因此可以使電機的控制更加簡單和精確。3）通過優化調整磁鋼的布置方式和角度，使采用平行充磁工藝的磁鋼具有近似徑向充磁的效果。使反電動勢波形正弦性更好，減少諧波成分對電機性能的影響。4）由于轉子結構類似內置式電機，轉子外圓光滑，能夠減小電機在高速運行時的風摩損耗，同時降低了電機噪音。

參考文獻

[1]唐任遠，顧國彪，秦和，等.中國電氣工程大典[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業出版社，1997.

[3]Z.Q.Zhu，D.Howe，E.Bolte.Instantaneousmagneticfield distribution in brushless permanent magnet dc motors， PartⅠ：Open-circuit field. IEEE Trans.Mag，1993，29（1）：124-135.

[4]Z.Q.Zhu，D.Howe.Instantaneousmagnetic field distribution in brushless permanent magnet dc motors，PartⅡ： Armature-Reactionfield.IEEETrans，Mag，1993，29（1）：136-142.

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[6]趙莉，郭秋鑒，趙峰.內嵌式永磁同步電動機電感參數辨識[J].微電機，2008，41（10）：35-38.

[7]雷銀照.關于電磁場數值分析的若干問題[J].電工技術學報，1997，12（6）：32-34.

[8]盛劍霓.工程電磁場數值分析[M].西安：西安交通大學出版社，1991.endprint