切向內置式永磁電機的新型轉子設計

葛 笑，諸自強，2，陳金濤

(1．廣東威靈電機制造有限公司，佛山528311;2．英國謝菲爾德大學，謝菲爾德 S1 3JD)

0 引 言

與表貼式永磁電機相比，內置式永磁電機在某些方面體現(xiàn)出明顯的應用優(yōu)勢［1－3］。首先，永磁體可方便地埋設于轉子鐵心之中而不需要附加的綁扎和固定措施，方便制造且更適合于高速運行場合。其次，由于交/直軸磁路不對稱而導致的凸極效應，內置式設計可利用磁阻轉矩以改善轉矩性能的同時亦可減少永磁體用量，該特點在整數(shù)槽永磁電機中尤為突出。再者，由于不直接面對氣隙，永磁體的退磁風險得以顯著降低。此外，不同于表貼式電機中瓦片狀永磁體，內置式設計中的永磁體通常為規(guī)則的長方體，有效地節(jié)省了材料和制作成本。考慮到上述優(yōu)點，內置式永磁電機在工業(yè)應用中得到越來越多的重視。

對于切向內置式永磁電機，由于相鄰永磁體的聚磁效應，電機氣隙磁密和轉矩輸出能力可以得到明顯的提升。然而，減小轉子內表面處的漏磁通仍需要采取特殊的措施［3－6］。一種常規(guī)的方法是采用非導磁性的材料，如轉子與轉軸之間的隔磁銅套，或者采用非磁性轉軸。在達到良好隔磁效果的同時，也不可避免地提升了電機的制造成本。另一種常見的方法是采用內部隔磁橋設計，無需增加額外的隔磁材料。然而，磁橋的寬度(即隔磁氣隙的間距)需要嚴格控制，這與硅鋼片的沖壓工藝要求相矛盾［7］。近來，相關文獻還提出采用間隔放置的徑向式輔助磁體來改善切向內置式設計的磁通分布［8］，但同時轉軸也隨之產生磁性，降低了轉軸的壽命和電機的可靠性。此外，分析軸向不對稱結構的性能往往需要借助于三維有限元，所以推導合理的等效計算方法可以節(jié)省大量的分析時間。然而，此前的文獻很少聚焦在這些問題，使得切向內置式結構的應用遇到了一定的瓶頸。

為了解決上述問題，本文提出一種切向內置式永磁電機的新型轉子設計，通過間隔磁橋的方法限制內部漏磁通，和分段錯位轉子的方式消除出軸側的單向漏磁通，進而避免轉軸的磁性。同時通過二維和三維有限元的比較分析，推論出該種設計性能計算的簡化方法。此外，對高速運行條件下該新型轉子設計的機械強度進行了分析校核。最后，通過樣機試驗驗證了該種設計的轉矩性能和前述等效計算方法的有效性。

1 切向內置式永磁電機的新型轉子

1． 1具有間隔磁橋的切向式轉子設計

在切向內置式電機中，為了限制轉子內表面處的漏磁，采用非磁性材料，如轉子與轉軸之間的隔磁銅套或者采用非磁性轉軸［3］，但電機制造成本顯著增加。另一種方式是采用內部隔磁橋(如圖1(a)所示)技術，其限制漏磁的效果和磁橋的周向寬度密切相關，通常隔磁橋越窄，隔磁效果越好。然而，過窄的磁橋寬度勢必影響硅鋼片(薄板件)的沖壓工藝。為了解決這一矛盾，本文提出一種具有間隔磁橋的切向式轉子(如圖1(b)所示)——內部隔磁橋的數(shù)目為永磁極數(shù)的一半，且間隔分布于所有N極(或S極)下。

圖1 具有傳統(tǒng)隔磁橋和間隔磁橋的切向內置式永磁轉子

為了衡量不同設計對電機性能的影響，分別建立了傳統(tǒng)磁橋和間隔磁橋設計的二維有限元模型，主要參數(shù)如表1所示。首先，從空載轉子磁通分布(如圖2(a)所示)可以發(fā)現(xiàn)，由于在漏磁回路中引入了高磁阻的隔磁氣隙，轉子內徑處的漏磁通可以得到有效的抑制。另外，磁橋周向寬度對電機電磁轉矩的影響也進行了比較分析(如圖2(b)所示)。對于傳統(tǒng)設計，當磁橋寬度從1．0mm增加到3．0mm時，電機的電磁轉矩從4．48 N·m下降為3．70 N·m。而采用間隔磁橋設計時，電機的電磁轉矩稍有降低，僅從4．71 N·m變?yōu)?．57 N·m。所以，間隔磁橋設計的轉矩性能對磁橋寬度的敏感性顯著降低。

表1 切向內置式永磁電機模型主要參數(shù)

圖2 不同磁橋設計對漏磁路和電磁轉矩的影響

為方便比較，在下文的分析中，傳統(tǒng)設計和間隔磁橋設計的磁橋寬度分別選擇為1 mm和2 mm，并建立對應的有限元分析模型。圖3(a)與圖3(b)分別對電機的氣隙磁密和電磁轉矩進行了比較?？梢钥闯?，由于沿轉子內表面的漏磁通得到有效抑制，一定程度上提升了間隔磁橋設計的氣隙磁密，從而使得電機電磁轉矩由4．48 N·m增加到4．60 N·m。更為重要的是，該轉子設計的內側隔磁橋寬度明顯增加，解決了漏磁通限制和沖片沖壓工藝之間的矛盾，方便了切向內置式永磁電機的制造。

圖3 傳統(tǒng)設計和間隔磁橋設計的電機性能比較(二維有限元)

1． 2分段錯位轉子設計

通過以上分析可見，間隔磁橋的設計在方便沖壓工藝的同時，電機轉矩性能也得到一定程度的提升。然而在三維有限元分析過程中發(fā)現(xiàn)，上述設計導致明顯的單向漏磁通存在于轉軸之中，如圖4所示，造成轉軸的磁性，影響了軸承的使用壽命。

圖4 切向內置式電機間隔磁橋設計所導致的單向漏磁通

為解決這一問題，進一步提出分段錯位轉子設計(如圖5(a)所示)——將轉子鐵心沿軸向等分為兩段，且兩段之間錯開一個極距放置。借助于三維有限元分析，得到出軸端的磁場分布(如圖5(b所示))。對比圖4與圖5(b)可以發(fā)現(xiàn)，導致轉軸磁性的單向漏磁通已經基本消除。

圖5 分段錯位轉子對單向漏磁通的削弱

實際上，轉子分段錯位設計對轉軸中單向漏磁通的削弱可從漏磁通回路的改變(如圖6所示)加以解釋。由于間隔磁橋僅位于N極(或S極)極面之下，轉軸中的漏磁通保持單一方向，借助鐵心外的軸向空間形成回路(如圖6(a)所示)。分段錯位后，沿轉子內表面的漏磁通回路主要由軸向相鄰的磁橋構成(如圖6(b)所示)，從而避免了轉軸中單向漏磁通的存在。

圖6 分段錯位設計對間隔磁橋設計漏磁通路徑的影響

通過以上分析，切向內置式永磁電機的轉子可通過具有足夠寬度的間隔磁橋解決沖壓工藝的難題，其引起的單向漏磁通可以進一步通過分段錯位轉子的方式得以削除，而幾乎不增加電機的生產制造成本。

2 電機性能分析

上述新型轉子設計能夠有效地解決切向式轉子的生產工藝難題，而作為電機的基本性能，其轉矩輸出能力和機械強度則需要進一步地比較和驗證。

2． 1 轉矩性能

首先，通過二維和三維有限元分別計算出傳統(tǒng)磁橋(1 mm)和間隔磁橋設計(2 mm)的轉矩性能，如圖7所示?？紤]到轉子端部效應的存在，間隔磁橋設計的轉矩性能由4．60 N·m下降到4．40 N·m。傳統(tǒng)磁橋設計也呈現(xiàn)出類似的特征，轉矩由4．48 N·m下降為4．29 N·m。

當采用分段錯位轉子方式削除單向漏磁通時，鑒于其軸向不對稱結構，其轉矩性能的計算需要借助于三維有限元方法，如圖8所示。此外，傳統(tǒng)磁橋設計的轉矩性能也在圖中示出?？梢?，轉子采用分段錯開方式后，其轉矩由4．40 N·m下降為4．31 N·m，和采用傳統(tǒng)設計的4．29 N·m轉矩非常接近。實際上，2 mm寬間隔磁橋采用分段錯位方式時的漏磁導可以等效為1 mm寬傳統(tǒng)磁橋設計的漏磁導，從而兩種設計沿轉子內表面的漏磁通基本一致，導致兩種設計的轉矩輸出能力基本相當。

圖7 傳統(tǒng)設計與間隔磁橋設計轉矩性能的比較(二維/三維有限元)

圖8 傳統(tǒng)磁橋與分段錯位轉子間隔磁橋設計—轉矩性能的比較(三維有限元)

因此，對于采用間隔磁橋和分段錯位轉子方式的切向內置式永磁電機來說，可以先采用二維有限元方法分析磁橋寬度為其1/2的傳統(tǒng)設計，以評估電機的轉矩輸出能力，避免了在電機概念設計階段繁瑣的三維有限元計算。完成概念設計和初步優(yōu)化后，可再進一步通過三維有限元計及端部效應的影響。

2． 2 機械強度

除了電磁性能，高速運行時的機械強度則是內置式永磁電機的又一重要指標。應用Ansys軟件，計算出該分段錯位轉子間隔磁橋設計在5 000 r/min條件下的機械強度，包括機械應力和形變，如圖9所示。結果顯示，其最大應力為21 MPa，遠低于硅鋼片材料的抗拉強度，證明該轉子具有足夠的安全裕量。而且，0．001 mm的形變也保證了該轉子設計在上述給定轉速下的安全運行。

圖9 分段錯位轉子間隔磁橋設計的機械強度(5 000 r/min)

3 樣機制作與實驗

為了驗證該設計電機的轉矩性能以及前述等效方法的準確性，按照表1的主要參數(shù)，分別制作了傳統(tǒng)磁橋和間隔磁橋設計的切向內置式的永磁電機樣機，如圖10所示。

圖10 切向內置式永磁電機樣機

首先，在500 r/min轉速下對兩種磁橋設計的樣機進行了空載反電勢的測試，如圖11(a)所示。此外，考慮到實驗電源最大電流的限制，在電機的三相繞組中通以20 A的直流電流(Ia=20 A，Ib=Ic=－10 A)，分別測得兩種轉子設計的靜態(tài)轉矩，如圖11(b)所示。可以看出上述兩種轉子設計所達到的空載反電勢(3．80 V)和靜態(tài)轉矩(1．15 N·m)均吻合良好，從而驗證了前述性能計算等效方法的準確性。另外，三維有限元的分析結果也在圖11中示出，與測試基本吻合。

圖11 不同磁橋設計空載反電勢和靜態(tài)轉矩的比較

可見，本文所述的新型轉子設計在不影響轉矩輸出能力的情況下，巧妙地解決了傳統(tǒng)切向內置式永磁電機的生產工藝問題，對于該類型電機的推廣使用具有顯著的現(xiàn)實意義。

4 結 語

本文提出一種切向內置式永磁電機的新型轉子設計，通過間隔磁橋的方法簡化電機的生產工藝，和分段錯位轉子的方式消除上述設計導致的單向漏磁，避免了電機轉軸的磁性。在不惡化轉子機械強度的同時，該設計可獲得良好的轉矩性能。此外，推論出該設計性能計算的等效方法，在電機設計階段可避免繁瑣的三維有限元計算。樣機試驗表明，該轉子設計能夠保證轉矩輸出能力，所述的等效計算方法也具有良好的計算精度。

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