洗衣機用永磁同步電機轉子結構的電磁設計和分析對比

張 旭 林明耀

（東南大學 電氣工程學院 南京 210096）

引言

變頻器供電的永磁同步電機和轉子位置矢量閉環控制算法配合，不僅具備普通直流電機的優異調速性能，最重要的是實現了無刷化，提高了電機的使用壽命，降低了維修成本。這使PMSM在需要高控制精度和高可靠性的場合[1]，如航空航天、數控機床、機器人、電動汽車、計算機外圍設備和家用電器等方面有著巨大應用前景。

表貼式永磁轉子是最常見的一種轉子結構，這主要是由于這種易于生產裝配、成本低，同時可以通過優化設計磁鋼形狀，生成逼近正弦波形的氣隙磁場。表貼式永磁轉子的局限在于其隱極結構，不具備利用磁阻轉矩的條件，同時聚磁能力較弱，難以提升其轉矩密度。內置式永磁轉子的磁鋼固定在鐵心中，由于磁鋼不正對磁場，抗退磁能力較強，同時由于其凸極結構，可以利用磁阻轉矩。傳統內置式永磁轉子的局限在于無法避免漏磁問題，采用隔磁橋本質上是通過損失部分聚磁能力，在隔磁橋飽和后來形成較大磁阻。顯然，隔磁橋寬度與限制漏磁的能力成反比，但是隔磁橋寬度如果過小，轉子的機械強度無法得到保證，所以目前隔磁橋的子的漏磁系數仍難以減小。

因此，本文提出來了一種利用非鐵磁部件固定永磁和鐵心的新型拼接式轉子，并與傳統表貼式永磁轉子和內置式永磁轉子電機的電磁性能進行比較分析。

1 拼接式轉子基本結構

圖 1(a) 所示為護套式內置永磁轉子，采用獨立鐵心，將非磁性軸套外套在軸承上，在轉子最外側用高強度護套固定鐵心和磁鋼。最外側的護套在裝配時采取過盈配合，因此在護套固定下的鐵心和磁鋼在高速旋轉時也時刻處于壓緊的狀態，具備一定的機械可靠性。護套式轉子的局限在于護套增大了電機的等效氣隙，轉子磁場強度受限。如果要彌補氣隙的變大，就需要更多的磁鋼用量，增加了成本。圖1(b) 所示為槽楔式內置永磁轉子，這種結構也采用分塊鐵心和非磁性軸套。同時為了替代轉子外側的護套，這種結構用梯形截面的槽楔將獨立鐵心和磁鋼定位。雖然這種槽楔式內置永磁轉子與前者相比，沒有增加氣隙的等效厚度，但是槽楔與鐵心的接觸面應力很大，轉子的可靠性不如前者，通常應用在轉速較低的場合。

2 電機主要尺寸設計與有限元模型

2.1 電機的主要尺寸計算

徑向永磁電機的主要尺寸計算公式為[2]：

式中：

Pe—電機的額定功率；

KB—氣隙磁場波形因數，對于正弦分布的氣隙磁場來說，KB=1.11，為定子內徑；

l—鐵心疊長；

Kw—電機的繞組因數；

Aav—電機的平均電負荷：

Bδ—氣隙磁密的最大值。

圖1 拼接式轉子結構

表1 洗衣機用永磁同步電機設計參數

圖2 3種永磁同步電機模型

圖3 不同氣隙長度下電機的轉矩圖

2.2 電機的有限元模型

根據上節的主要尺寸公式，計算得到電機的主要設計參數如表1所示。

利用ANSYS Maxwell軟件搭建的三種不同轉子結構電機的二維模型如圖2所示電機模型，圖中的箭頭方向為實際永磁體的充磁方向。

3 電機參數對性能的影響

3.1 氣隙長度對電機性能的影響

電機的氣隙長度是決定轉矩大小和轉矩脈動的重要物理量，圖3給出了不同氣隙長度下，電機的轉矩圖，圖4給出了了和轉矩脈動對氣隙變化的敏感性。表2給出了不同氣隙長度的輸出轉矩和轉矩脈動的具體數值。

拼接式永磁同步電機通的電流峰值是1.54 A，表貼式永磁同步電機和spoke型永磁同步電機通的電流峰值是1.785 A，這是因為拼接式轉子磁場強，為了便于與其它兩種轉子進行比較，而有意降低了電流。

從圖4可以看出，拼接式永磁同步電機和spoke型永磁同步電機的轉矩脈動對氣隙長度較為敏感，隨氣隙變大而迅速下降，表貼式的反應則較為遲鈍。

表2 氣隙長度對電機性能的影響

圖4 轉矩脈動隨氣隙的變化

表3 磁鋼厚度對電機性能的影響

3.2 永磁厚度對電機性能的影響

為了提高材料利用率及電機的轉矩密度，在保持其他條件不變的前提下，研究磁鋼厚度對電機輸出轉矩的影響。仿真結果如表3所示。

從表3中可以看出，隨著磁鋼厚度的增加，表貼式轉子的磁鋼厚度增加時，而轉矩脈動變化較大，而轉矩大小變化遲鈍。拼接式的轉矩大小對磁鋼厚度變化較為敏感，因為拼接式結構聚磁能力較強，可以更好地捕捉到磁鋼的變化。Spoke結構的轉矩大小和脈動則對磁鋼厚度的變化均表現得較遲鈍。

4 結論

本文研究了3種永磁同步電機轉子結構，即表貼式徑向充磁、spoke型內置切向充磁式和拼接式永磁同步電機，利用參數化掃描分析三種結構的轉矩脈動以及轉矩密度與氣隙長度和磁鋼厚度的關系。仿真結果表明，拼接式轉子結構永磁同步電機能有效提高磁鋼利用率，增加轉矩密度,降低轉矩脈動。