雙C型定子橫向磁通永磁電機的優化設計

劉福貴，李寧寧，楊乾坤，羅 丹

(河北工業大學 電氣工程學院，天津 300130)

0 引 言

對于傳統結構的永磁電機，定子齒槽與電機繞組在同一截面，幾何尺寸相互制約，因此電機轉矩很難從根本上提高。橫向磁通永磁電機(以下簡稱TFPMM)的提出有效地解決了上述問題，該電機的磁路呈三維分布，其電樞繞組和主磁通在結構上是完全解耦的，線圈的截面面積與磁通大小可按需要確定，而不受限制，可以從根本上提高電機的轉矩。

在橫向磁通永磁電機研究方面，勞斯萊斯公司在1997年研制出C形鐵心結構的橫向磁通電機[1]。英國南安普敦大學研制出單邊結構TFPMM，采用外轉子結構[2]。丹麥阿爾伯格大學研發出一臺“E”型鐵心TFPMM，效率高于70%。瑞典皇家技術學院研制的TFPMM，它的三相定子分布在同一轉子圓盤上，每相定子鐵心與繞組分別占據三分之一的圓周。上海大學研發出一種兩相新型TFPMM，該電機定子由相互平行放置的內定子鐵心和外定子鐵心以及位于兩者之間的環狀定子過渡鐵心三部分構成[3-4]。文獻[5]提出了一種雙C型定子聚磁式轉子TFPMM(以下簡稱DSFCR-TFPMM)，該電機結構有效地提高了定轉子在工作時的利用率。

本文在文獻[5]的基礎上，利用Maxwell有限元分析軟件建立電機有限元模型，對定子形狀進行改進，從而增大電磁轉矩；基于電磁屏蔽原理，結合表面工程技術的理論，在轉子內側添加銅層來減小永磁體渦流損耗，并通過設置變量的方法計算出最佳的銅層厚度。

1 電機模型的建立及仿真

1.1 DSFCR-TFPMM有限元模型的建立

圖1給出了DSFCR-TFPMM的結構示意圖，主要包括定子鐵心、永磁體、轉子疊片以及線圈繞組。電機的定子由兩組相反方向放置的C型鐵心構成，且同組的相鄰定子之間間隔2倍極距，不同組的相鄰定子間隔1倍的極距。轉子疊片和永磁體組成電機的轉子部分，安裝在正對定子槽口處的兩個轉子盤上。位于兩側轉子上正對的永磁體為一對，且極性相反。繞組線圈沿圓周方向分布在C型定子內部，當通入電流后，兩組定子中會同時產生磁通。該設計結構能夠有效地提高電機的空間利用率。

(a) 單相電機

(b) 三相電機

1.2 DSFCR-TFPMM有限元仿真

對單相DSFCR-TFPMM建立三維仿真模型，將表1內電機的基本參數與材料屬性加入模型的各部分。永磁體的切向充磁示意圖如圖2所示；圖3為網格剖分后的模型；圖4為電機氣隙磁密波形圖，圖5為電機空載反電動勢波形圖。

表1 DSFCR-TFPMM基本參數

圖3 網格剖分圖

圖4 氣隙磁密波形圖

圖5 空載反電動勢波形圖1.3 DSFCR-TFPMM的工作原理

DSFCR-TFPMM與傳統TFPMM相比，結構原理相同，但磁路有很大差異。如圖6所示，DSFCR-TFPMM具有分布在三維空間上的徑向、軸向和周向磁通。如圖7所示，DSFCR-TFPMM的一對級中磁通路徑:永磁體→轉子疊片→氣隙→定子鐵心→氣隙→轉子疊片→永磁體。

圖6 磁通示意圖

圖7 DSFCR-TFPMM的

2 負載下定子磁通分析及優化

在電流源的驅動下，轉速為500 r/min時，DSFCR-TFPMM定子磁通如圖8所示，此時，單相電機的電磁轉矩隨時間變化的計算結果如圖9所示。

圖8 DSFCR-TFPMM定子磁通分布

圖9 DSFCR-TFPMM電磁轉矩隨時間變化曲線

圖8顯示，在定子與轉子之間的氣隙處存在明顯的漏磁，它對電機的影響是不容忽視的。圖9顯示，此時單相電機的電磁轉矩為46.33 N·m，下文將對定子形狀進行優化來減小漏磁。

基于聚磁效應的原理，將定子槽口處直角改為倒角形式，圖10為優化后定子的形狀及磁通。可以看出，磁力線由定子到轉子幾乎是平行進入，漏磁有了明顯減小，圖11顯示，優化后單相電機的電磁轉矩平均值為59.01 N·m，相比于優化前提高27.3%，從而證實了該優化的可行性。

圖10 優化后DSFCR-TFPMM定子磁通分布

圖11 優化后DSFCR-TFPMM電磁轉矩隨時間變化曲線

3 永磁體渦流損耗分析及優化

當電機處在運行狀態時，氣隙磁場中的諧波分量與轉子產生相對運動，在轉子內部產生感應電動勢，進而引發轉子渦流損耗。過高的渦流損耗會引起很高的溫升，加之DSFCR-TFPMM的永磁體采用釹鐵硼材料制成，具有溫度系數高、居里溫度低的特點，在渦流損耗嚴重時甚至會導致永磁體發生不可逆退磁現象，所以要采取有效措施來降低永磁體的渦流損耗。

3.1 負載下永磁體渦流損耗結果分析

在電流源驅動下，轉速為500 r/min時，某一穩定時間段內單相DSFCR-TFPMM永磁體渦流損耗隨時間變化的計算結果如圖12所示，渦流損耗密度分布情況如圖13所示。

圖12 永磁體渦流損耗隨時間變化曲線

圖13 永磁體渦流損耗密度分布圖

從圖12看出，該時間段的永磁體渦流損耗平均值為121.32 W，它對電機的影響是不可忽視的，下文將在轉子內側添加屏蔽層對渦流損耗的影響進行研究。

3.2 屏蔽層對渦流損耗的影響

結合表面工程技術的相關知識，基于電磁屏蔽的原理提出減小永磁體渦流損耗的方法。

如圖14所示，在轉子靠近定子繞組一側覆蓋一層銅作為屏蔽層來減小永磁體的渦流損耗，銅層內外半徑大小與轉子相同，厚度設為0.5 mm。當繞組電流產生的諧波分量經過氣隙進入銅層后，在銅層內部產生渦流，而該渦流反作用于諧波分量，阻止了部分諧波進入轉子，因此，轉子永磁體的渦流損耗得到了減小。此外，銅具有熱傳導率高的性質，使熱量更容易散失。

圖14 轉子內側添加屏蔽層示意圖

下面對添加銅層后的永磁體進行有限元仿真計算，圖15為優化后永磁體渦流損耗在某一穩定時間段內的變化曲線，圖16為渦流損耗密度分布圖，同時，圖17給出了銅層的渦流損耗密度分布圖。

圖15 優化后永磁體渦流損耗隨時間變化曲線

圖16 優化后永磁體渦流損耗密度分布圖

圖17 銅屏蔽層渦流損耗密度分布

相比于優化前，永磁體渦流損耗密度值減小了一個數量級，而由圖17可以看出，銅層上的渦流損耗卻很大，說明了銅層有效地阻止了部分電磁諧波進入轉子，起到了很好的屏蔽作用。

3.3 銅層厚度最優值的確定

電磁波在良導體中透入深度的計算公式：

式中：Δ表示透入深度；ω表示諧波磁場角頻率；μ表示導電材料的磁導率；σ表示導電材料的電導率。考慮到DSFCR-TFPMM電機參數的影響，制造出具有完全屏蔽諧波分量厚度的銅層是不現實的。所以，下面對屏蔽層厚度在一定范圍內的取值進行變量設置，仿真后得出最優方案，仿真結果如圖18所示。

圖18 不同屏蔽層厚度對渦流損耗影響

通過對比仿真計算得出的永磁體渦流損耗值，可以確定銅層厚度0.4 mm是最佳的選擇。此時，永磁體渦流損耗平均值為47.57 W，與優化前相比減小了60.79%。

圖19給出了加屏蔽層后的氣隙磁密波形圖。可以看出，氣隙磁密波形與優化前的基本一致，說明電機主磁通和電磁轉矩在優化前后沒有較大的改變，這也驗證了此方案的可行性。

圖19 加屏蔽層后氣隙磁密波形圖

4 結 語

本文采用Maxwell有限元軟件，在文獻[5]基礎上對DSFCR-TFPMM進行了優化設計。基于聚磁效應原理，改進定子形狀，將定子槽口處直角改為倒角形式，減小漏磁的同時電磁轉矩增大了27.3%；利用電磁屏蔽原理在轉子內側添加屏蔽層，有效地減小了永磁體渦流損耗，并且通過設置變量的方法得出屏蔽層厚度為0.4mm時效果最佳，與優化前相比渦流損耗減小了60.79%。