空心杯電機永磁體不同拓撲結構的比較分析

袁永杰，鄭文鵬，尤 瑩，趙金磊，李立娜

(1.中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233；2.西安現代控制技術研究所，西安 710065)

0 引 言

空心杯電機不存在齒槽，沒有齒槽轉矩，因此噪聲和振動小；其物理氣隙較大，電感較小，換向火花小因而電磁兼容性能好；空心杯電機無鐵心損耗，故效率較高。空心杯電機在自動化裝備和伺服系統中有著廣泛的應用。

空心杯電機的永磁體結構多種多樣，有環形磁鋼、瓦片形磁鋼；有平行充磁、徑向充磁等。文獻[1-2]采用瓦片形磁鋼對電機磁場的影響進行了分析，但沒有與環形磁鋼進行對比分析。文獻[3]對無刷直流電動機環形磁鋼和瓦片形磁鋼的氣隙磁場諧波和氣隙磁密進行了分析，但僅比較了二者的最大氣隙磁密，未進一步比較平均氣隙磁密，且未考慮環形磁鋼不需要導磁軛的情況。目前尚未有文獻對空心杯電機永磁體的選型有明確的結論。

本文總結了空心杯電機常用的幾種永磁體拓撲結構形式，并通過有限元仿真分析了不同拓撲結構對電機性能的影響，結果表明，在相同的電機體積下，平行充磁環形磁鋼具有最大的平均氣隙磁密和接近正弦的氣隙磁密波形，優于其它拓撲結構，該結果為空心杯電機的永磁體選型提供了依據。同時計算了不同拓撲結構相應的計算極弧系數，為空心杯電機使用磁路法計算電機參數提供了參考。本文所采用的磁鋼均為一對極，不考慮各向異性的影響。

1 空心杯電機永磁體的基本結構

空心杯有刷電機一般由機殼、內定子、轉子杯組件、軸承和刷架組件組成。轉子杯組件由轉子杯、換向器和轉軸組成，轉子杯采用斜繞組、菱形繞組或其他形式的繞組，形成杯形結構，粘結在轉軸支撐架上，如圖1所示。

內定子組件一般包含內定子支架和永磁體，是否需要導磁軛視情況而定。為減輕質量，內定子支架一般采用不導磁的鋁合金材料。內定子有三種主要的結構形式。第一種是采用環形磁鋼，直接粘結在非導磁的內定子支架上，如圖2所示。第二種是采用環形磁鋼，粘結在導磁磁軛上，再裝入非導磁支架上，如圖3所示。第三種是由瓦片型磁鋼和導磁磁軛組成，粘結在非導磁的內定子支架上，如圖4所示。而三種結構中磁鋼又有徑向充磁和平行充磁兩種。因此，內定子共有六種基本的拓撲結構，分別為平行充磁瓦片形磁鋼、徑向充磁瓦片形磁鋼、平行充磁無導磁軛環形磁鋼、徑向充磁無導磁軛環形磁鋼、平行充磁有導磁軛環形磁鋼、徑向充磁有導磁軛環形磁鋼。

圖2 環形磁鋼內定子結構圖(無導磁軛)

圖3 環形磁鋼內定子結構圖(帶導磁軛)

圖4 瓦片型磁鋼內定子結構圖

2 六種轉子拓撲結構的比較分析

在電機結構和繞組等其他零部件參數完全相同的情況下，電機的輸出性能主要和主磁通Φ0相關，而在磁鋼面積相同的情況下，其平均氣隙磁密的大小就決定了磁通的大小。因此對環形磁鋼和瓦片形磁鋼、徑向充磁和平行充磁、環形磁鋼有無導磁軛等六種拓撲結構進行平均氣隙磁密的對比分析，以確定最優的永磁體形式。

六種拓撲結構的磁鋼采用相同的磁鋼外徑和軸向長度。需要導磁軛進行磁路閉合時，導磁軛內孔與環形磁鋼內孔相同，并且為保證瓦片形磁鋼的性能，導磁軛盡量薄，以接近材料的磁飽和程度。

Φ0=BδavS=αiBδS=αiBδτl

式中：S=τl為永磁體一個極距下的面積；αi為計算極弧系數；Bδav為平均氣隙磁密；Bδ為最大氣隙磁密。

另外通過下式計算六種拓撲結構的計算極弧系數，特別是環形磁鋼的計算極弧系數，為環形磁鋼的磁路計算提供參考[4]。

(1)

平行充磁的環形磁鋼的氣隙磁密(氣隙長度2.2 mm～2.8 mm)如圖5所示，比較接近正弦曲線。

圖5 平行充磁的環形磁鋼(無導磁軛)磁力線和氣隙磁密

平行充磁的瓦片形磁鋼的磁力線分布(瓦片形磁鋼缺口角度10°～40°)如圖6所示。由于2個磁極間存在較大的漏磁，氣隙磁密出現了負值，引起平均氣隙磁密和計算極弧系數降低，但其氣隙磁密最大值與環形磁鋼相當。

徑向充磁的瓦片形磁鋼的磁力線分布(瓦片形磁鋼缺口角度10°～40°，磁鋼厚度7.5 mm) 如圖7所示。由于兩個磁極間漏磁較小，氣隙磁密近似矩形，故計算極弧系數與極弧系數相當，但其氣隙磁密最大值低于環形磁鋼。

圖7 徑向充磁的瓦片型磁鋼磁力線和氣隙磁密

與徑向充磁的瓦片形磁鋼類似，徑向充磁的環形磁鋼計算極弧系數較大，而由于極間漏磁較大，最大氣隙磁密小于平行充磁，如圖8所示。另外，矩形的氣隙磁密不利于換向，因此還會帶來換向火花大、電磁干擾大的問題。

圖8 徑向充磁的環形磁鋼(無導磁軛)磁力線和氣隙磁密波形

環形磁鋼內孔若使用導磁軛，環形磁鋼中部分磁通通過導磁軛的路徑形成閉環，減小了磁路的磁阻，有利于增大磁通；為保證體積相同，導磁軛和磁鋼的總體積與原磁鋼的體積相同，這又導致了永磁體體積的減小，會降低氣隙磁通和磁密。因此，采用有限元方法對帶導磁軛的環形磁鋼(徑向充磁和平行充磁)進行了分析。結果如圖9、圖10所示，其形式和不帶導磁軛的環形磁鋼基本一致。

圖9 平行充磁的環形磁鋼(帶導磁軛)磁力線和氣隙磁密波形

圖10 徑向充磁的環形磁鋼(帶導磁軛)磁力線和氣隙磁密波形

計算六種磁鋼的平均氣隙磁密Bδav、計算極弧系數和最大氣隙磁密如表1所示。

表1 不同拓撲磁鋼的平均氣隙磁密

從以上分析可以看出：徑向充磁氣隙磁密基本呈方波，不利于電機換向；瓦片形磁鋼的性能低于環形磁鋼；平行充磁環形磁鋼的平均氣隙磁密最大，且氣隙磁密接近正弦波，有利于換向；帶導磁軛的環形磁鋼平均氣隙磁密略低于平行充磁環形磁鋼，但由于其使用的永磁體材料較少，該結構可以節約永磁體成本。

如果需要更高的電機輸出性能，可以將圖2中內定子支架采用導磁材料，這樣既不會減少永磁體的體積，又能增大氣隙磁密和磁通，經計算氣隙磁密增加近8%，其結果如表2所示。該結構的缺點是與采用鋁合金材料的內定子支架相比，質量有所增加。

表2 支架為導磁材料的環形磁鋼磁密計算結果

3 結 語

通過對空心杯電機的六種永磁體拓撲結構的分析計算，得出以下結論：

(1)環形磁鋼的磁性能優于瓦片形磁鋼，平行充磁優于徑向充磁。

(2)在相同的電機體積下，平行充磁環形磁鋼具有最大的平均氣隙磁密和接近正弦的氣隙磁密波形，優于其他拓撲結構。

(3)在環形磁鋼和導磁軛總體積一定的情況下，環形磁鋼可不用導磁軛。因為環形磁鋼增加導磁軛所帶來的磁通增加不足以彌補磁鋼體積減小帶來的磁通損失。

(4)在磁鋼體積不變的情況下，使用導磁的內定子支架可以提高8%的平均氣隙磁密和磁通。

(5)本文還計算了不同拓撲結構相應的計算極弧系數，為空心杯電機使用磁路法計算電機參數提供了參考。