永磁無(wú)刷高速電機(jī)的電磁性能研究

張 玉

（珠海凱邦電機(jī)制造有限公司，廣東 珠海 519110）

隨著節(jié)能、低碳排放和減排成為世界各國(guó)普遍重視的熱點(diǎn)問(wèn)題，電動(dòng)汽車獲得了創(chuàng)新性發(fā)展。關(guān)于電動(dòng)汽車的電機(jī)，與其他類型電機(jī)相比，永磁直流無(wú)刷電機(jī)擁有體積小、質(zhì)量輕、效率高等明顯優(yōu)點(diǎn)，作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用在電動(dòng)汽車上[1]。隨著我國(guó)人民經(jīng)濟(jì)、物質(zhì)和文化生活水平的進(jìn)一步提高，家用電器、工業(yè)應(yīng)用機(jī)器人等電器設(shè)備也朝著高效率化、小型化和智能化的方向快速發(fā)展，無(wú)刷電機(jī)以其節(jié)能、高效的優(yōu)勢(shì)順應(yīng)了今天節(jié)能的時(shí)代主題[2]。

永磁無(wú)刷電機(jī)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速區(qū)間范圍寬、無(wú)勵(lì)磁損耗、功率因數(shù)高且效率高等突出優(yōu)點(diǎn)，由于永磁電機(jī)氣隙較大，因此永磁無(wú)刷電機(jī)尤其適宜應(yīng)用于高速場(chǎng)合[3]。但永磁無(wú)刷高速電機(jī)還是存在很多問(wèn)題，例如其基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和性能影響分析，而如何有效降低電機(jī)轉(zhuǎn)子損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，是一個(gè)非常有必要研究的問(wèn)題。

1 高速永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)設(shè)計(jì)

電機(jī)基本上由2 個(gè)部分組成，即控制定子和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的轉(zhuǎn)子可以直接支撐未滿足的扭矩，成為有用的驅(qū)動(dòng)力，從而最大限度地發(fā)揮電機(jī)的作用。此類定子選用2 層繞組時(shí)，應(yīng)使其盡可能短，以減少確定關(guān)系的功率，提高系統(tǒng)工作性能。然而，這會(huì)降低繞組的電勢(shì)。該文電機(jī)模型中的繞組有一個(gè)重要的節(jié)距，節(jié)距為3。高速電機(jī)極數(shù)較少，通?？梢栽O(shè)計(jì)為二極或四極。與二極電機(jī)相比，四極電機(jī)的定子繞組端部較短，平均半匝長(zhǎng)度和軸長(zhǎng)也較短。因此，該文建立的電機(jī)模型采用四極電機(jī)。

1.2 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

1.2.1 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可以分為3 種，如圖1 所示。將永磁體的材料全部做成一個(gè)圓柱形，通過(guò)干擾和矯頑力，永磁體被一層高強(qiáng)度、非磁性金屬護(hù)套完全包裹起來(lái)。從圖1 中可以清楚地看出，在實(shí)際運(yùn)行中，該系統(tǒng)無(wú)法傳遞扭矩，因?yàn)槠錄](méi)有連接軸和轉(zhuǎn)子輪轂。因此，需要將永磁體的護(hù)套與芯片、連接件焊接在一起以傳遞扭矩。永磁體通常采用全磁結(jié)構(gòu)來(lái)制造磁場(chǎng)，具有良好的電磁和電磁機(jī)械對(duì)稱特性。

圖1 轉(zhuǎn)子的3 種結(jié)構(gòu)

具有表貼式結(jié)構(gòu)的永磁轉(zhuǎn)子側(cè)視圖如圖2 所示。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)的永磁樣機(jī)就是采用該類型的轉(zhuǎn)子分塊結(jié)構(gòu)，并針對(duì)永磁體的轉(zhuǎn)子分塊及其充磁處理方法、不同轉(zhuǎn)子間能量與磁損耗的相互作用和影響進(jìn)行了深入研究。

圖2 實(shí)心永磁體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子側(cè)視圖

圖3 永磁體表貼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子側(cè)視圖

雖然永磁模型和表面貼裝永磁模型都具有對(duì)稱性好、材質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)，但永磁體能承受的拉伸強(qiáng)度和應(yīng)力可能較?。?80MPa）。由于較大的電磁離心力會(huì)導(dǎo)致永磁體結(jié)構(gòu)快速旋轉(zhuǎn)，因此需要添加額外的安全層來(lái)保護(hù)永磁體。保護(hù)永磁體的方法如下：1）將碳纖維或磁性玻璃絲直接粘合在永磁體上。2）做防護(hù)套。將具有高密度且不導(dǎo)電的高磁性復(fù)合金屬放在永磁體周圍。碳纖維材料捆扎的膠帶外層厚度相對(duì)較小，并且碳纖維材料不易導(dǎo)電，不會(huì)引起高頻渦流，造成巨大損耗，并且碳纖維材料不易降溫，永磁體轉(zhuǎn)子不會(huì)快速冷卻，因此能更好地實(shí)現(xiàn)屏蔽轉(zhuǎn)子諧波的主要目標(biāo)。通常要求在金屬外殼和導(dǎo)線的結(jié)合處安裝銅屏蔽層。雖然非導(dǎo)磁金屬殼本身不僅易導(dǎo)電，還可以有效屏蔽二次諧波，減少其渦流損耗，便于永磁體轉(zhuǎn)子快速降溫，但是非導(dǎo)磁護(hù)套采用的金屬材料費(fèi)用較高。

1.2.2 選擇極數(shù)

傳輸頻率增加會(huì)導(dǎo)致電機(jī)定子線損增加，因此需要減小磁場(chǎng)差異，才能有效減少電機(jī)定子線損。然而，高速電機(jī)的極數(shù)較少，一般情況下，可以考慮采用帶有兩極或四極的定子，二者各具優(yōu)、缺點(diǎn)。與四極轉(zhuǎn)子相比，兩極轉(zhuǎn)子構(gòu)造簡(jiǎn)潔，容易設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，強(qiáng)度也有保證，其定子的鐵耗也較小。主要缺陷是兩極結(jié)構(gòu)電機(jī)在繞組末端的長(zhǎng)度遠(yuǎn)超四極電機(jī)，并且所需定子鐵心的軛部面積較大。該文采用容易設(shè)計(jì)、鐵耗小的兩極轉(zhuǎn)子。

1.2.3 定子設(shè)計(jì)

1.2.3.1 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)槽結(jié)構(gòu)取消了傳統(tǒng)的齒槽結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)為可降低電機(jī)上的鐵耗。開(kāi)槽結(jié)構(gòu)的N 極和S 極間的漏磁差異較小，并且繞組與外定子電源的外電流表面間的熱接觸溫度較高，耐熱耗散。散熱方式對(duì)繞組和轉(zhuǎn)子非常重要。

1.2.3.2 選擇定子槽數(shù)

無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，設(shè)計(jì)時(shí)選用兩極24 槽的定子槽數(shù)，原因是其繞組流過(guò)的電流發(fā)生的諧波含量比其他槽數(shù)的小。每12 個(gè)繞組在一個(gè)級(jí)數(shù)下，并且4 個(gè)槽為一相。因此該文選擇兩極24 槽，其參數(shù)均能達(dá)到無(wú)刷電機(jī)的要求，可減少電機(jī)的總體長(zhǎng)度，并具有經(jīng)濟(jì)性。

前不久，一家地處江蘇省由日本企業(yè)投資的生物重金屬吸附劑生產(chǎn)線正式投產(chǎn)，產(chǎn)品走向國(guó)際市場(chǎng)，而支撐起這一產(chǎn)品的原材料，正是“中黃麻4號(hào)”。

1.2.4 主要尺寸確定

電機(jī)的主要尺寸與其計(jì)算功率、轉(zhuǎn)速以及電磁動(dòng)力學(xué)的負(fù)荷等因素有關(guān)，如公式（1）所示。

式中：DiL為定子內(nèi)徑（mm）；l為計(jì)算長(zhǎng)度（mm）；nN為額定轉(zhuǎn)速（r/min）；p'為計(jì)算功率（W）；αp為計(jì)算極弧系數(shù)，αp=0.657；kφ為氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù)，正弦波磁場(chǎng)取1.11；kw為基波繞組系數(shù)，對(duì)集中繞組來(lái)說(shuō)為0.5；B0為氣隙磁密幅值（T）；A為電負(fù)荷有效值（A/m）。

電機(jī)的氣隙不能設(shè)計(jì)得太小，否則會(huì)使轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生接觸，造成轉(zhuǎn)子損壞。電機(jī)的運(yùn)行性能取決于齒槽轉(zhuǎn)矩。永磁電機(jī)運(yùn)行效率降低的原因可能是轉(zhuǎn)子的損耗過(guò)大，這對(duì)永磁電機(jī)非常不利。無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)需要選用合適的空間和氣隙，否則將會(huì)直接影響電機(jī)工作的性能和機(jī)械的可靠性。

1.2.5 電機(jī)繞組設(shè)計(jì)

電機(jī)繞組設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。在電機(jī)設(shè)計(jì)中，最重要的部分是電機(jī)的繞組設(shè)計(jì)，也用于測(cè)量電機(jī)性能強(qiáng)弱。電機(jī)定子繞組采用同心式，其關(guān)鍵目的是減少電機(jī)銅芯線總數(shù)，節(jié)約電機(jī)成本，采用同心繞組可以提高該文設(shè)計(jì)方案無(wú)刷電機(jī)的性能。其優(yōu)點(diǎn)是電氣機(jī)構(gòu)采用正弦函數(shù)繞組，無(wú)刷電機(jī)的電流波形可以有較大程度的改善。

表1 電機(jī)繞組參數(shù)

Y3 型連接為電機(jī)外接電源電路的連接類型。主要考慮的是電機(jī)功率較大，在運(yùn)行過(guò)程中容易產(chǎn)生較大電場(chǎng)，會(huì)導(dǎo)致同步電機(jī)繞組傳熱過(guò)多，必須加以防備。因此選擇的連接類型是Y3 連接。

2 高速永磁無(wú)刷電機(jī)的仿真建模

2.1 有限元方法概述

有限元分析化學(xué)方程式可分為Gayogin 法和Rise 法。由子域匯總分開(kāi)所有連續(xù)域，該文將未知因變量直接顯示在具有未知系數(shù)插值函數(shù)的字段中，從而分散電磁場(chǎng)以獲得相似的代數(shù)方程組。耦合解后可以形成電磁場(chǎng)的函數(shù)解。有限元法已經(jīng)被相關(guān)專家驗(yàn)證，拉普拉斯和泊松方程式說(shuō)明的是在微分方程里解釋的場(chǎng)，并解決了一系列電磁問(wèn)題，如非線性場(chǎng)、時(shí)間場(chǎng)等。

2.2 無(wú)刷電機(jī)參數(shù)確定

該文電機(jī)工作方式為三相星型全控橋，結(jié)構(gòu)為電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子、外定子。該文電機(jī)轉(zhuǎn)子磁化方法的繞組為2 層。電機(jī)基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 電機(jī)主要參數(shù)

2.3 永磁無(wú)刷高速電機(jī)的建模與仿真

通過(guò)對(duì)電機(jī)進(jìn)行建模與仿真，來(lái)檢查設(shè)計(jì)是否正確，其定、轉(zhuǎn)子各參數(shù)指標(biāo)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。采用ANSYS Maxwell建立2 維模型，輸入確定好的無(wú)刷電機(jī)參數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的電磁性能仿真。其電機(jī)模型和網(wǎng)格劃分如圖4 所示。添加邊界條件，并建立電路模型，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)路耦合。在該文的仿真中，由于磁力線幾乎不超過(guò)轉(zhuǎn)子外電弧的邊界，因此該文進(jìn)行了等效處理：在轉(zhuǎn)子外弧設(shè)定Dirichlet 邊界條件，設(shè)置為零的轉(zhuǎn)子外弧在所有節(jié)點(diǎn)的自由度。該模型為實(shí)際電機(jī)的十分之一，因此必須在2 個(gè)半徑上設(shè)置循環(huán)邊界條件。為了使這2 個(gè)邊具有對(duì)應(yīng)同步節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和一個(gè)位置，2 個(gè)邊必須由對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)組合。將線圈繞組與外部電路連接，并創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的電路。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的變化，在電路中打開(kāi)6 個(gè)開(kāi)關(guān)。

圖4 電機(jī)模型和網(wǎng)格劃分

3 永磁無(wú)刷高速電機(jī)的電磁性能分析

3.1 磁場(chǎng)分析

麥克斯韋方程是電機(jī)磁場(chǎng)科學(xué)研究的理論基礎(chǔ)。將定子電流參數(shù)全部設(shè)置為0，只剩下永磁體發(fā)生作用。通過(guò)分析永磁體嵌入式無(wú)刷直流電機(jī)的磁場(chǎng)，可以計(jì)算出空載狀態(tài)下機(jī)體磁場(chǎng)的大小、分布和方向，從中了解磁場(chǎng)飽和方法。由磁力線分布情況可以看出，電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的磁力線分布是比較均勻的，證明電機(jī)結(jié)構(gòu)中幾乎不存在漏磁現(xiàn)象。

3.2 電機(jī)空載特性仿真

3.2.1 空載氣隙磁密分析

從仿真結(jié)果可以看出，電機(jī)在60°的機(jī)械角度內(nèi)有2 個(gè)磁密波峰。內(nèi)部的半徑為50mm，水平坐標(biāo)為0mm～60mm。在徑向上，轉(zhuǎn)子內(nèi)、外直徑附近的氣隙磁通密度較低，中間半徑附近的氣隙磁密較高，整體上有先提高、后降低的趨勢(shì)。其磁通量容易飽和，并且大部分磁場(chǎng)會(huì)往中間移動(dòng)。

3.2.2 高速電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)和電流波形

根據(jù)仿真結(jié)果可知，電機(jī)空載的反電勢(shì)線的電壓幅值為200V，電機(jī)的電壓值在調(diào)速的范圍內(nèi)。關(guān)于電機(jī)電流波形，可知電機(jī)轉(zhuǎn)子d、q軸電感散布平均，并且電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中是穩(wěn)定的，三相電流值幾乎一致，電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中的發(fā)熱較小，可以提高其可靠性。盡管有限元分析的結(jié)果是理想的，但效果實(shí)際上取決于所選或所設(shè)計(jì)的電機(jī)與所采用引擎的匹配度。

3.2.3 電機(jī)負(fù)載特性仿真

當(dāng)電機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)各相繞組中的電壓會(huì)因電樞反應(yīng)而中斷。另外，負(fù)載下波形的正弦性也會(huì)降低。定子繞組相電動(dòng)勢(shì)有效值為250V 左右。通過(guò)給電機(jī)配套合適的電流，可以得到電機(jī)的輸出扭矩波形。根據(jù)仿真結(jié)果可知，輸出轉(zhuǎn)矩最大值約為4.21N·m，輸出轉(zhuǎn)矩最小值約為3.69N·m，輸出磁感應(yīng)轉(zhuǎn)矩平均值約為3.94N·m。通過(guò)計(jì)算可知扭矩波動(dòng)約為13.1%。

4 結(jié)論

通常情況下，永磁無(wú)刷高速電機(jī)的研究和應(yīng)用領(lǐng)域較廣，具有效率高、功率密度高等優(yōu)勢(shì)，但其磁性會(huì)損壞電機(jī)。該文先根據(jù)有限元原理進(jìn)行計(jì)算，然后對(duì)電機(jī)輸入相關(guān)參數(shù)，并對(duì)其負(fù)載和空載情況進(jìn)行仿真。最后獲得其產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)氣隙磁密和齒槽轉(zhuǎn)矩，并加以分析。值得注意的是，如果轉(zhuǎn)子太弱，會(huì)導(dǎo)致永磁體溫度升高。因此，根據(jù)具體設(shè)計(jì)目的，該文設(shè)計(jì)了功率為1.1kW、轉(zhuǎn)速為200000r/min 的高速自動(dòng)電動(dòng)機(jī)，并提供了設(shè)計(jì)方案參數(shù)。