摘要：在本文中，進(jìn)行了不同以往設(shè)計(jì)的嵌入式V型磁鐵的永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）與嵌入式U型磁鐵的電機(jī)在每一對(duì)電極的比較。表明了U型磁鐵的電動(dòng)機(jī)與V型磁鐵型能產(chǎn)生同樣的電效能。

介紹

嵌入式磁鐵型永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）被認(rèn)為是在一個(gè)范圍廣泛的變速驅(qū)動(dòng)器。嵌入式磁鐵相比于表面磁鐵型的設(shè)計(jì)具有很多優(yōu)點(diǎn)。通量濃度可以取得引起更高的氣隙磁通密度的效果。更高的氣隙磁通密度使機(jī)器轉(zhuǎn)矩的提高成為可能。嵌入式磁鋼結(jié)構(gòu)也讓形成空氣間隙和達(dá)到更平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩成為可能。轉(zhuǎn)子生產(chǎn)也更簡單了。一些不同的嵌入式磁鋼轉(zhuǎn)子如圖1所示。

嵌入式磁鋼將磁鐵設(shè)計(jì)為細(xì)長狀但數(shù)量不變，這使減小磁阻成為可能。使用V型或徑向磁鐵的嵌入式磁鋼對(duì)減少磁阻有所限制，U型磁鐵的設(shè)計(jì)在每一極都有V型和徑向磁鐵的良好性能。然而，U型磁鐵的設(shè)計(jì)在每一對(duì)電極都可能進(jìn)一步的減少磁阻。

在本文，V型磁鐵和U型磁鐵兩種嵌入式磁鋼在每一對(duì)電極都做了比較。通過時(shí)間步和靜態(tài)計(jì)算的有限元方法進(jìn)行了分析，這些機(jī)器磁性的寬度和長度也進(jìn)行了考慮。

電機(jī)設(shè)計(jì)

嵌入式磁鋼內(nèi)部轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)使轉(zhuǎn)子的裝配比其它類型的設(shè)計(jì)都要簡單。轉(zhuǎn)自盤保證磁鐵在合適的位置并且不需要額外的加固繃帶。磁鐵嵌入在復(fù)合轉(zhuǎn)子鐵的沖壓槽。V型嵌入式磁鋼設(shè)計(jì)如圖2所示，U型嵌入式磁鋼設(shè)計(jì)如圖3所示。

a)                           b)                            c)

圖1：嵌入式磁鋼電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)切向磁鐵、徑向磁鐵、V型磁鐵

圖2：12極V型磁鐵永磁電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

圖3：12極每一對(duì)電極U型磁鐵永磁電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

這兩種電動(dòng)機(jī)的唯一不同在于他們的內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。磁鐵的面積是一樣的，而且在如圖3的磁鐵結(jié)構(gòu)中，每一極都更細(xì)更長。同時(shí)，磁鐵的每一極具有同樣的寬度和長度的結(jié)構(gòu)也是考慮過的。此外，磁鐵間的各種大小的鐵支架和空氣間隙也是一樣的。

U型設(shè)計(jì)的磁鐵塊數(shù)量減少到V型設(shè)計(jì)的3/4。這為將磁鐵嵌入轉(zhuǎn)子節(jié)省了時(shí)間。

計(jì)算結(jié)果

V型和U型電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的電氣性能是有計(jì)劃的。電機(jī)數(shù)據(jù)研究如表1所示。利用時(shí)間步的有限元法完成了計(jì)算，也研究了不同負(fù)載的性能。計(jì)算了電壓源并且采用角接法。由于轉(zhuǎn)子的不同結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)的兩極都進(jìn)行了建模。電路計(jì)算如圖4所示。在電路中有三個(gè)電壓源，六個(gè)繞組連接，三個(gè)端部繞組電阻和三個(gè)端部繞組電感。在所有的時(shí)間步計(jì)算中，定子的電壓相角和振幅是一樣的。計(jì)算是以不同的轉(zhuǎn)子角開始并以順便現(xiàn)象結(jié)束，利用的是恒定的轉(zhuǎn)子速度。

三個(gè)實(shí)例的磁通線設(shè)計(jì)為額定負(fù)載如圖5-7所示。也能看見緊縮的磁通量。U型設(shè)計(jì)中的每一對(duì)電極都是不同的，這代表兩極之間的結(jié)構(gòu)是不對(duì)稱的。在圖5、圖6，每一個(gè)轉(zhuǎn)子電極的磁鐵長度、寬度和面積都是一樣的。

圖8將額定負(fù)載下U型A和V型設(shè)計(jì)的定子齒的磁通量密度計(jì)算以時(shí)間函數(shù)的形式展示。可以看到不同設(shè)計(jì)的效果。這比較而言是小的。可以看出，對(duì)于我們的U型、A設(shè)計(jì)，磁通量的絕對(duì)值是在兩極之間呈周期對(duì)稱的。在U型、B設(shè)計(jì)中磁通量也是對(duì)稱的?？梢钥吹綗o偏差的對(duì)稱。

表1：電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)

軸高度   280 mm

功率     27.5 KW

電壓     370 V

電流     45 A

極數(shù)     12

轉(zhuǎn)速     300 rpm

圖4：電路計(jì)算

圖5:額定負(fù)載的緊縮磁通量，原始設(shè)計(jì)（V型）

圖6:額定負(fù)載的緊縮磁通量，新設(shè)計(jì)A（U型、A）

圖7:額定負(fù)載的緊縮磁通量，新設(shè)計(jì)B（U型、B）

圖9表示V型和U型A設(shè)計(jì)的磁通量密度只由不同轉(zhuǎn)子角的定子齒中的磁鐵產(chǎn)生。每一個(gè)轉(zhuǎn)子電極的磁鐵長度和寬度都一樣。V型和U型A的磁通量密度最大值和平均值分別是1.463 T, 1.420 T 和 0.932 T, 0.926 T。U型A的磁通量密度稍小是因?yàn)榇盆F之間間隙的小影響。

我們?nèi)齻€(gè)實(shí)例設(shè)計(jì)的額定負(fù)載和最大負(fù)載通過時(shí)間步法計(jì)算出來了。在表2，計(jì)算結(jié)果和V型設(shè)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較?？梢钥闯鯲型設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果給出了正確的電流。定子繞組的銅損失用效率η的計(jì)算考慮。其它的損失很小。

圖8：額定負(fù)載下U型A和V型設(shè)計(jì)的定子齒的一個(gè)周期內(nèi)的磁通量密度

圖9：V型和U型A設(shè)計(jì)的磁通量密度只由不同轉(zhuǎn)子角的定子齒中的磁鐵產(chǎn)生

從表中首先看出U型A的每電極所有磁鐵的長度和厚度的計(jì)算結(jié)果是與V型設(shè)計(jì)一樣的。其次看出U型B的每電極的磁鐵更長并且更薄。磁鐵的厚度、寬度和面積是以毫米為單位在表中顯示的。V型設(shè)計(jì)的實(shí)際尺寸也就是U型尺寸是與V型設(shè)計(jì)尺寸相符合的。

U型A的輸出轉(zhuǎn)矩最大值比V型設(shè)計(jì)更小并且具有一個(gè)較小的負(fù)載角差，這是由于磁鐵間更小的磁阻轉(zhuǎn)矩和金屬橋的影響。轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩如圖10所示。

表2：額定負(fù)載的結(jié)果比較

測量       計(jì)算         計(jì)算        計(jì)算

V-型       V-型         U-型A      U-型B

Tn[Nm]                     875         875          875          875

In[A]                      46.5        45.5         45.8         45.4

Cos ω                     0.993       0.997        0.997        1.000

η                         0.929       0.946        0.939        0.938

Angle                                  32.6         29.7         25.4

Tk [Nm]                                1,688        1,557        1,418

Ik [A]                                 122.5        113.8        98.5

Cos ω                                 0.856        0.841        0.804

Angle                                  114.1        111.5        99.2

Magnets thickness                      7.3          7.3          5.15

Magnets b                          52           52           72.2

Magnets area                           379.6        379.6        371.83

圖10：V型和U型設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩與負(fù)載角的函數(shù)關(guān)系

圖11：功率因數(shù)與轉(zhuǎn)矩的函數(shù)關(guān)系

V型設(shè)計(jì)的磁阻轉(zhuǎn)矩比U型設(shè)計(jì)的大，是因?yàn)檗D(zhuǎn)子的磁結(jié)構(gòu)。通過比較U型A和U型B設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩大小也可以看出減小磁鐵厚度的影響。磁阻和最大轉(zhuǎn)矩比厚磁鐵小。

V型和U型設(shè)計(jì)的功率因數(shù)與轉(zhuǎn)矩的函數(shù)關(guān)系如圖11所示。U型A設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)值高并且隨著轉(zhuǎn)矩升高而變小。電動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩是875 Nm并且通常電動(dòng)機(jī)是在部分載荷和不同轉(zhuǎn)速下工作的。因此，U型磁鐵的電動(dòng)機(jī)通常在轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)會(huì)有更好的功率因數(shù)。由于更小的磁阻，轉(zhuǎn)矩最大值也會(huì)減少。由于V型B設(shè)計(jì)的磁鐵更長更薄，那可以預(yù)期出在額定負(fù)載的情況下會(huì)獲得更小的轉(zhuǎn)矩最大值和更高的功率因數(shù)。

V型和U型A設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩有顯著性的差異。這一點(diǎn)如圖12所示。對(duì)于U型A設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)矩的振動(dòng)是隨著磁鐵的頻率在定子相。V型設(shè)計(jì)的振動(dòng)頻率是U型頻率的一半，是因?yàn)閂型設(shè)計(jì)是兩塊磁鐵轉(zhuǎn)變到一個(gè)定子相，U型A設(shè)計(jì)是一塊磁鐵轉(zhuǎn)變到一個(gè)定子相。此外，振幅比V型設(shè)計(jì)小。

圖12：V型和U型A的轉(zhuǎn)矩振動(dòng)

結(jié)論

以上表明，U型磁鐵式永磁電動(dòng)機(jī)的磁鐵在每一對(duì)電極的工作效果與傳統(tǒng)的V型磁鐵式永磁電動(dòng)機(jī)的每個(gè)電極一樣好。此設(shè)計(jì)中極對(duì)數(shù)的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)引起了磁場空氣間隙的不對(duì)稱。這個(gè)設(shè)計(jì)使利用同數(shù)量的磁鐵獲得更高的通量密度成為可能。磁鐵塊的數(shù)量也減少了。

U型A設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩振幅相比V型設(shè)計(jì)太高了。這應(yīng)避免在磁鐵和空氣間隙附近用不同的定子槽或者金屬結(jié)構(gòu)。

總之，這個(gè)新的解決方案提供了生產(chǎn)具有更好的功率因數(shù)和效率的嵌入式永磁電動(dòng)機(jī)的可能。