組合磁化無槽永磁電機磁場分析與優化研究

倪有源 崔征山

摘 要：永磁電機氣隙磁場分布與采用的磁化方式密切相關，設計永磁的磁化類型是電機磁場分析的重要環節。在傳統永磁電機采用常規單一充磁類型的基礎上，提出由不同磁化方式組合后形成一種嶄新的混合磁化方式。首先，采用二維解析法，通過求解拉普拉斯方程和準泊松方程，并依據磁場的邊界條件，獲得無槽永磁電機的空載氣隙磁密精確解析式。然后，利用解析法快速計算的特點，在保證永磁體每極磁化區域單位體積平均剩磁相同的前提下，分析兩種組合磁化方式的氣隙磁場分布。接著，對永磁厚度進行優化分析。通過計算得出，組合磁化方式可增加氣隙磁密徑向分量基波幅值，降低氣隙磁密中諧波成分，同時能夠減小永磁體積，降低電機制造成本。最后，二維有限元法與二維解析法計算結果的一致性，驗證了組合磁化解析模型的準確性。

關鍵詞：無槽永磁電機;組合磁化;二維解析法;永磁厚度優化

DOI：10.15938/j.emc.2020.03.010

中圖分類號：TM 351文獻標志碼：A文章編號：1007-449X（2020）03-0079-09

Abstract：Airgap magnetic field distribution in the permanent magnet （PM） machines is closely related to the magnetization mode. Selecting a reasonable magnetization mode is of great significance to improve the magnetic field distribution. Based on the analysis of the single magnetization mode， proposing a new hybrid magnetization method formed by combining different magnetization methods. First， the noload airgap flux density was analytically derived by solving Laplacian and quasiPoissonian equations and applying the boundary conditions. Second， considering the analytical method with the advantage of little computation time， the airgap magnetic field was analyzed for two kinds of combined magnetization in terms of the equal average magnet remanence per unit volume in one pole magnetization region. Third， the PM thickness optimization was performed and the optimization results show that the combined magnetization can improve the airgap flux density and decrease the PM material and the manufacture cost. Finally， the results by the twodimensional （2-D） finite element method are in accordance with those by the 2-D analytical models.

Keywords：slotless PM machine; combined magnetization; twodimensional analytical method; permanent magnet thickness optimization

0 引 言

隨著永磁材料的發展，對于永磁電機的研究越來越深入。永磁材料的利用不僅促進電機的高效節能，而且能夠提高電機的各項性能。無槽永磁電機是一種新型電機[1-2]。由于無槽永磁電機的定子沖片未開槽，將定子沖片疊壓后形成無槽的定子結構，電機的繞組不能像普通繞組一樣嵌放在定子槽中，通常采用特殊的工藝將電樞繞組按一定疊放順序置于電機定子內表面上。由于電機定子部分沒有開槽，電機的齒槽轉矩脈動極低，可忽略不計，轉矩脈動小成為無槽電機的重要優點。此外，氣隙內的電樞繞組嵌會占據一定的空間，不可比避免的需要設計電機氣隙尺寸適當大些，以滿足轉子高速運行的需求。定子無開槽結構的永磁電機也稱為空心杯電機，具有轉矩脈動小、噪音小以及運行穩定等優點，適合在高精密儀器設備中應用[3]。隨著電力電子技術的發展，促進了無槽永磁電機在醫療器械、航空航天等領域中的應用，是一種應用前景廣闊的新型電機。

文獻[4-5]采用解析法對表貼式轉子徑向、平行等單一磁化方式分析，解析式中雖包含極弧系數變量，但在實例分析時，只選取特定的極弧系數進行了分析，并未研究極弧系數變化對氣隙磁密的影響規律。文獻[6-10]運用解析法分析了徑向、平行以及Halbach磁化方式的無槽及有槽永磁電機的氣隙磁場，得出Halbach磁化方式的氣隙磁密波形更接近正弦波，但未對永磁厚度進行優化，并且文中僅采用一種永磁材料，對采用不同的永磁材料并未研究。文獻[11]采用有限元法分析了徑向、平行以及Halbach磁化方式的電機氣隙磁場，并未論及組合磁化對電機氣隙磁場的影響，也沒有用解析法進行分析。文獻[12-13]建立了分塊式Halbach型磁鋼的永磁同步電機的解析模型，但磁鋼充磁角度過于復雜，并且分塊Halbach陣列存在磁屏蔽效應，需要對轉子鐵心進行特殊設計。文獻[14-15]建立雙層Halbach陣列的解析模型，但轉子結構過于復雜、機械強度不高，實用性受限。文獻[16-21]研究了Halbach陣列的永磁直線電機。Halbach陣列即組合磁化方式，包含Y軸方向磁化的永磁和X軸方向磁化的永磁。通過分析極弧系數[16]、磁極形狀[17]、不同極槽配合[18]以及雙層Halbach陳列[19-21]等方法，可以獲得較大的推力。但未對不同永磁材料組合進行分析。

基于對上述研究的分析，本文提出一種對永磁轉子采用平行與徑向的組合磁化方式。利用二維解析法對無槽永磁電機的空載氣隙磁場進行深入研究，得出極弧系數、剩磁比例以及永磁厚度等參數變化對氣隙磁場的影響。分析結果表明，組合磁化不僅能優化空載磁場參數，而且可以節約永磁材料，降低電機制造成本。

1 無槽永磁電機的解析模型

1.1 無槽永磁電機的結構

研究的無槽永磁電機結構如圖1所示。三相對稱繞組安裝在氣隙中。永磁為表面安裝結構，采用組合磁化方式，具體磁化方式分別如圖2和圖3所示。其中圖2為第1種組合磁化方式，即中間徑向磁化兩側平行磁化;圖3為第2種組合磁化方式，即中間平行磁化兩側徑向磁化。

電機的氣隙磁場決定了感應電動勢、電磁轉矩等參數性能，分析氣隙磁密波形對于改善電機性能具有重要意義。首先通過二維解析法建立組合磁化無槽永磁電機的解析模型，求解拉普拉斯方程和準泊松方程，得到空載氣隙磁密的精確解析表達式。分析結果表明，在與單一磁化的單位體積剩磁相同的前提下，組合磁化能夠有效改善氣隙磁密波形。然后，對永磁厚度進行了優化分析?？梢缘贸?，組合磁化方式可增大徑向氣隙磁密基波幅值、降低THD，并能夠減小永磁體使用量，從而降低了電機制造成本。最后，二維解析法與二維有限元法的計算結果一致，驗證了解析模型的正確性?？傊?，解析法不僅可快速求解獲得相關參數改變對氣隙磁場的影響，而且可以實現對相關變量的優化，為該類電機的優化設計提供了一種新的思路。

參 考 文 獻：

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