磁鋼充磁方式對高速永磁電機性能的影響研究

張炳義，蔣 鑫，馮桂宏

(沈陽工業(yè)大學 電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 引 言

高速永磁電機由于具有效率高、功率密度大、體積小，并可以省去增速箱等諸多優(yōu)點，在壓縮機、飛輪儲能、電主軸以及高速機床上得到了越來越廣泛的應用[1-4]。該電機永磁體通常采用表貼式。表貼式永磁電機的磁鋼充磁方式又分為平行充磁、徑向充磁及Halbach充磁等結構。氣隙磁密和反電勢的波形與幅值等均受磁鋼充磁方式的影響。

如何提高永磁材料的利用率、提高永磁電機的電磁性能成為對永磁體充磁方式研究的重點。文獻[5]分析了平行充磁及徑向充磁對電機電磁性能的影響；文獻[6]通過建立內轉子與外轉子永磁電機的有限元分析模型，分析了3種充磁方式對電機氣隙磁密的影響規(guī)律；文獻[7]對一臺2.3 kW，150 000 r/min高速無刷直流電機進行了平行和徑向兩種充磁方式對比研究。對于不同充磁方式，目前針對常規(guī)速度永磁電機的研究較多，以高速永磁電機為對象研究充磁方式對電機性能影響的文獻較少。

在現(xiàn)有研究的基礎上，本研究將分析高速永磁電機3種充磁方式對電機氣隙磁場、齒槽轉矩等的影響，在有限元分析軟件的輔助下，分析總結不同充磁方式對高速永磁電機鐵耗、銅耗、渦流損耗等損耗的影響規(guī)律。

1 3種永磁體充磁方式結構模型

平行充磁的磁化方向長度是由中心線至兩端為先增大后減小的變化規(guī)律；而徑向充磁的磁化方向長度沿轉子圓周各點相等；Halbach磁化結構的每極磁鋼分成多塊，每塊磁體的充磁方向不同。

3種磁化方向的結構如圖1所示。

圖1 3種充磁方式(2極)磁化方向對比

為了保證分析的準確性，本文分析研究不同充磁方式對高速永磁電機的影響時，電機的其他參數(shù)均保持不變。

電機主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機主要參數(shù)

2 高速永磁電機有限元分析

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，本研究利用ANSYS仿真軟件建立了電機的有限元分析模型，分析了在不同充磁方式下對高速永磁電機性能的影響。仿真時，對模型做如下假設[8-9]：

(1)采用二維平面場分析，忽略電機磁場的軸向變化；

(2)忽略鐵磁材料中的渦流和磁滯損耗；

(3)磁場僅被限制于電機的內部，定子的外部邊界及轉子的內部邊界認為是零矢量磁位線。

2.1 不同充磁方式對氣隙磁場的影響

氣隙磁場的波形及諧波含量直接影響永磁電機的性能。本文在平行充磁、徑向充磁、Halbach充磁3種情況下，對高速永磁電機的氣隙磁場進行了仿真分析，仿真結果如圖2所示。

圖2 氣隙磁密分布圖

從圖2中可以看出，在3種充磁方式中：

(1)采用平行充磁時氣隙磁密波形最接近正弦，并且具有較大的磁密幅值，相比于徑向充磁和Halbach充磁，更適用于高速永磁同步電機；

(2)采用徑向充磁的方式時，磁密幅值小，波形接近矩形波，波形的畸變是由于定子開槽引起的諧波含量的增加導致；

(3)Halbach充磁方式，氣隙磁密波形有接近正弦波的趨勢，但突變嚴重，可能是由于永磁體分塊數(shù)量太少，且每塊充磁方向不同導致。

氣隙磁密的各次諧波含量分布情況如圖3所示。

圖3 氣隙磁密諧波含量

由圖3可知：平行充磁時氣隙磁密的基波幅值0.75 T，徑向充磁基波幅值為0.81 T，比平行充磁時高8%，但其他次諧波均大于平行充磁結構；Halbach磁化結構氣隙磁密基波幅值為0.48 T，比平行充磁和徑向充磁時都要低，且7次諧波和15次諧波稍高，其他次諧波和平行充磁時一樣，基本可以忽略。

2.2 不同充磁方式對齒槽轉矩的影響

齒槽轉矩是永磁電機繞組不通電時永磁體和定子鐵心之間相互作用產生的轉矩。過大的齒槽轉矩會引起電機噪聲大、運行不平穩(wěn)等問題，故對齒槽轉矩的抑制十分重要[10-12]。

不同充磁方式下高速永磁電機的齒槽轉矩如圖4所示。

圖4 齒槽轉矩波形圖

由圖4可知：平行充磁的永磁電機的齒槽轉矩接近于0，而徑向充磁和Halbach充磁的永磁電機的齒槽轉矩遠大于平行充磁電機的齒槽轉矩。由于在平行充磁時，電機的氣隙磁密波形最接近于正弦波，徑向充磁和Halbach充磁的氣隙磁密畸變比較大，從而導致電機的齒槽轉矩也隨之增大。因此，采用平行充磁的方式有助于降低齒槽轉矩，提升電機性能。

3 高速永磁電機損耗分析

高速電機體積小、功率密度大、散熱困難，如果電機的損耗過大、溫升過高，會導致永磁體不可逆性退磁。為了分析永磁體充磁方式對高速電機的損耗影響，本文建立了電機的損耗有限元分析模型，對不同充磁方式下的高速永磁電機的損耗進行仿真分析。

3.1 高速電機定子空載鐵耗

高速永磁電機供電頻率高，并且轉速越高鐵耗占高速電機損耗的比例越大。本文中的樣機額定頻率達1 116.7 Hz，由此帶來的定子鐵耗問題不容忽視。在高速永磁電機中，定子鐵耗包括轉子永磁磁場旋轉引起的空載鐵耗和繞組電流引起的附加鐵耗，定子空載鐵耗對定子鐵耗的影響不容忽視。

250 kW、67 000 r/min高速永磁電機采用平行充磁、徑向充磁和Halbach充磁時的空載鐵耗變化曲線如圖5所示。

圖5 3種充磁方式不同轉速下的空載鐵耗

從圖5中可以看出：平行充磁時電機的定子空載損耗最小，徑向充磁和Halbach充磁時的定子空載損耗均大于平行充磁，原因是徑向充磁和Halbach充磁時諧波分量較大，使得每極磁通量和定子鐵心磁密較大，由此帶來了較大的定子空載損耗。

3.2 高速電機轉子渦流損耗

在永磁同步電機中，由于定子磁場與永磁體同步旋轉，在分析電機損耗時通常不會將轉子渦流損耗考慮在內，但是在高速永磁電機中，定子齒槽效應、繞組磁動勢的非正弦分布及繞組中的諧波電流所產生的諧波磁勢在轉子永磁體內部產生的渦流損耗不可忽略，過大的渦流損耗帶來電機散熱困難、永磁體退磁等一系列問題。

本文對250 kW、67 000 r/min高速永磁電機永磁體的空載渦流損耗進行了計算，如圖6所示。

圖6 渦流損耗

從圖6中可以看出:Halbach充磁方式的空載轉子渦流損耗遠大于平行充磁和徑向充磁，而平行充磁時高速永磁電機的轉子渦流損耗最小。這是由于，在采用Halbach充磁時，氣隙磁密中含有較高的7次與15次諧波，導致其轉子的空載渦流損耗遠大于其他兩種充磁方式。

3.3 額定運行高速電機總損耗

采用電壓源激勵，本文分析計算了電機額定運行穩(wěn)定時的鐵耗、銅耗和渦流損耗。3種充磁方式下，高速電機鐵耗、銅耗及渦流損耗大小如圖7所示。

圖7 3種充磁方式損耗對比

由圖7可知:在電機尺寸相同，加入同樣額定激勵的條件下，采用徑向充磁的方式電機的鐵耗最大，為20.8 kW；采用Halbach充磁的方式電機的銅耗和渦流損耗最大，分別為2.88 kW和5.42 kW；而采用平行充磁時，電機的鐵耗、銅耗和渦流損耗都是最小的，氣隙磁密波形的畸變導致了徑向充磁方式與Halbach充磁方式的各項損耗均比平行充磁方式的損耗大，因此平行充磁總損耗最小，為14.04 kW，相比于徑向充磁的總損耗22.32 kW和Halbach充磁的總損耗26.34 kW，平行充磁的總損耗要降低37.1%和46.7%。

4 結束語

本研究以一臺250 kW、67 000 r/min高速永磁電機為例，研究了永磁體的充磁方式對高速電機的電磁性能影響，得到了如下結論：

(1)對于高速永磁電機，采用平行充磁時，氣隙磁密幅值更大，且更接近于正弦；

(2)相比較徑向充磁和Halbach充磁高速永磁電機，平行充磁方式下的齒槽轉矩更小，電機的振動與噪音更??；

(3)采用平行充磁時，電機的鐵耗、銅耗和渦流損耗都是最小的，效率最高，且在相同冷卻條件下，溫升最低，能夠保證電機長期平穩(wěn)運行。