永磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁密波形的設(shè)計(jì)研究

摘 要：通過(guò)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)磁鋼充磁方式、磁鋼形狀、極靴形狀三種情況進(jìn)行分析，從而確定了三者對(duì)氣隙磁密形狀的影響情況及重要程度，為氣隙磁密設(shè)計(jì)提供方向。研究采用控制變量法，依據(jù)有限元仿真模擬試驗(yàn)，并通過(guò)理論分析驗(yàn)證仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；氣隙磁密波形；設(shè)計(jì)研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.152

0 引言

永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩及脈動(dòng)、感應(yīng)電勢(shì)、鐵芯損耗在很大程度上取決于氣隙中的磁通密度分布，氣隙磁通密度（以下簡(jiǎn)稱“氣隙磁密”）波形的優(yōu)劣直接影響電機(jī)的性能。合適的氣隙磁密波形可以有效地穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，提高轉(zhuǎn)速的可控性，降低電機(jī)振動(dòng)及噪音。

永磁同步電機(jī)的氣隙磁密與很多因素有關(guān)，文獻(xiàn)[1]從氣隙變化、轉(zhuǎn)軸材料、極弧系數(shù)、磁鋼厚度、極對(duì)數(shù)等方面分析了對(duì)永磁同步電機(jī)氣隙磁密的影響；文獻(xiàn)[2]提出一種用若干塊磁鋼代替單塊磁鋼的方法來(lái)改善氣隙磁密波形，減少氣隙磁密空間諧波的含量；文獻(xiàn)[3]提出一種解算磁密的計(jì)算方法。

常見(jiàn)的永磁同步電機(jī)分為方波電機(jī)與正弦波電機(jī)，兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)相同，都有永磁轉(zhuǎn)子和與交流電動(dòng)機(jī)類似的定子結(jié)構(gòu)。但永磁同步電機(jī)要求有一個(gè)正弦波反電勢(shì)，而B(niǎo)LDC電機(jī)希望有一個(gè)梯形波反電勢(shì)；所以如何設(shè)計(jì)出需要的氣隙磁密波形是設(shè)計(jì)電機(jī)的基本功之一，但對(duì)于永磁同步電機(jī)氣隙磁密波形的設(shè)計(jì)研究文章較少；本文根據(jù)充磁方式、磁軛及極靴形狀的變化情況，利用有限元仿真軟件Ansoft，采用二維有限元方法對(duì)相應(yīng)的氣隙磁密變化情況進(jìn)行分析；進(jìn)而讓讀者對(duì)氣隙磁密波形設(shè)計(jì)有初步的了解。

1 原理和模型

如圖1所示是一個(gè)在Ansoft中創(chuàng)建的永磁同步電機(jī)二維模型，我們通常所說(shuō)的氣隙磁密波形是指沿電機(jī)氣隙一周徑向方向磁密的大小分布；在二維有限元仿真計(jì)算中則是將各物理量分解成X軸、Y軸兩個(gè)方向的分量進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于徑向磁密的大小計(jì)算公式為：

式中 B-徑向磁密， -磁密的X軸分量，-磁密的Y軸分量， θ-柱坐標(biāo)的θ。為了方便各模型之間對(duì)比，我們選用統(tǒng)一的模型，僅將需要比對(duì)的部分進(jìn)行修改。為貼近實(shí)際情況，模型選用一款12槽10極表貼式三相永磁同步電機(jī)，鐵芯長(zhǎng)度為120mm，其截面如圖1所示。

2 充磁方式對(duì)氣隙磁密波形的影響

如圖2（a）、（b）所示是兩種常見(jiàn)的充磁方式：徑向充磁、平行充磁。

我們選用氣隙均勻分布如圖1所示的模型分別對(duì)兩種充磁方式進(jìn)行仿真，其局部磁場(chǎng)矢量圖如圖3所示。

對(duì)比兩圖僅圖中方框內(nèi)所示部分有所區(qū)別，從矢量圖上無(wú)法直觀的分辨出兩種充磁方式對(duì)氣隙磁密的影響，我們畫(huà)出徑向磁密B并進(jìn)行對(duì)比如圖4。

通過(guò)圖4我們可以明顯看出徑向沖刺的波形在頂部更平滑磁密值大小一致，而平行充磁越靠近中間部分磁密值越大，對(duì)兩種充磁方式的影響如圖5分析：

對(duì)于平行充磁有：

對(duì)于徑向充磁有：

則在整個(gè)磁極表面徑向充磁的磁場(chǎng)值基本一致，而平行充磁的磁場(chǎng)值則隨著Φ的縮小而逐步增大，這與我們的仿真結(jié)果也基本一致。

3 磁鋼形狀對(duì)氣隙磁密波形的影響

磁鋼厚度的變化也影響著氣隙磁密波形，對(duì)于表貼式永磁同步電機(jī)通常磁鋼分為等厚度和不等厚度兩種，如圖6（a）、（b）所示。

當(dāng)然，兩種磁鋼也可以用前文介紹的充磁方式進(jìn)行充磁，這里我們?yōu)榱朔奖惚容^兩種磁鋼都用平行充磁的方式進(jìn)行仿真對(duì)比，計(jì)算結(jié)果如圖7。

等厚度磁鋼由于電機(jī)氣隙均勻，所以氣隙磁密分布均勻；不等厚度磁鋼由于中間部分氣隙小、兩端氣隙大，整體分布上也中磁鋼中間出現(xiàn)最大值。

對(duì)于兩中磁鋼氣隙磁密波形的情況分析，我們選取磁鋼的最大外切圓作描繪氣隙磁密，假設(shè)磁鋼表面的磁通相等，則有：

其中μr為材料的磁導(dǎo)率，由于空氣磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于硅鋼片的磁導(dǎo)率，所以不等厚磁鋼兩端多余氣隙的存在（如圖8）導(dǎo)致在空間中B的下降，在氣隙磁密波形圖中就表現(xiàn)為中間高兩端低的波形。

4 極靴形狀對(duì)氣隙磁密波形的影響

極靴形狀的變化一般實(shí)質(zhì)上就是電機(jī)氣隙的變化，在本質(zhì)上目的與磁鋼厚度的變化一致，都是通過(guò)改變電機(jī)氣隙來(lái)改善電機(jī)氣隙磁密的，如圖9是兩種常見(jiàn)的極靴形狀：

其中極靴1類似于等厚度磁鋼，極靴2類似于不等厚度磁鋼，兩種極靴形狀的氣隙磁密仿真結(jié)果對(duì)比如圖10。

從圖10對(duì)比可以看出極靴2的氣隙磁密波形在磁鋼兩端出現(xiàn)迅速下跌的情況，其原因與磁鋼形狀對(duì)氣隙磁密波形的影響原因一樣，都是因?yàn)榭諝獾拇艑?dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于硅鋼片的磁導(dǎo)率，氣隙變大就導(dǎo)致磁密急速下降。

5 結(jié)論

上面我們通過(guò)充磁方式、磁鋼形狀、極靴形狀三個(gè)方面的影響對(duì)電機(jī)氣隙磁密波形進(jìn)行了對(duì)比，通過(guò)仿真對(duì)比以及理論分析得出：（1）充磁方式對(duì)電機(jī)的氣隙磁密影響中主要取決于磁鋼表面磁通密度的徑向分量，其大小也隨著徑向分量的變化而變化；（2）改變磁鋼形狀相應(yīng)地也會(huì)改變電機(jī)的氣隙分布，而氣隙的分布與電機(jī)氣隙磁密呈正相關(guān)關(guān)系；（3）改變電機(jī)極靴從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)也是改變電機(jī)氣隙，這一條也佐證了（2）中的結(jié)論。

課題：永磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁密波形的設(shè)計(jì)研究

作者簡(jiǎn)介：王偉（1988-），男，本科，助理電氣工程師。