不同磁极结构对高速永磁同步电动机磁场影响分析

胡月菊，方瑞明，叶志军

(华侨大学，厦门361021)

0 引 言

高速永磁同步电动机具有转速高、动态响应快、同等条件下结构尺寸小、功率密度高等诸多优点，使其在航空工业、通用工业和纺织、能源等领域应用越来越广泛，因此提高高速永磁电机的性能也显得越来越重要。

传统表贴式内转子电机结构简单、易于制造，但电机高速运行时产生的离心力容易损坏永磁体，在加护套的情况下又易增加气隙有效长度，从而增加永磁体的用量而增加成本。另一方面，电机高速运转也易产生振动，增加电机噪声。为设计出高性能的永磁电机，近些年来，诸多学者对不同表贴式永磁电机进行了研究分析。文献［1］分析了不同偏心距对永磁电机齿槽转矩的影响，指出随着偏心距的增加，气隙磁密径向分量的大部分系数减小，此情况下可通过不等厚磁极结构来降低齿槽转矩。文献［2］指出了不等厚磁钢对永磁无刷直流电动机空载气隙磁场和转速的影响，对比分析了不同偏心距时空载气隙磁场变化及对电机空载转速的影响，得出随着偏心距的增加，极间漏磁系数逐渐增加，空载转速也随之增加。文献［3 -4］对Halbach 型永磁电机磁场进行了分析，表明Halbach 型永磁电机具有较好的正弦特性及磁屏蔽性能。文献［5］还进一步研究了充磁角度对Halbach 型磁钢结构永磁电机的气隙磁通密度影响，并给出了极间有间隔的Halbach 磁体充磁角度的计算公式。

因2 极永磁同步电动机便于永磁体采用整体结构，以保证永磁体机械和电磁性能的对称性，4 极结构相对于2 极电机在结构尺寸相同的条件下可提高电机功率密度，所以高速永磁同步电动机通常采用2 极或4 极结构［6］。本文利用有限元方法分别研究了2 极、4 极电机的传统磁极结构、不等厚磁极结构和Halbach 型磁极结构的高速永磁电机的气隙磁密分布特点并对比分析，并讨论不同磁极结构的永磁电机所适用的场合。

1 3 种转子结构

以表面凸出式、4 极电机结构图为例进行说明。传统形式的转子结构如图1(a)所示，永磁体采用瓦片形，贴在转子铁心。不等厚永磁体转子结构如图1(b)所示，磁极内外径不同心，内径对应的圆心为O，外径对应的圆心为O'，此时磁极厚度h'(θ)和气隙长度δ'(θ)随位置角θ 变化。偏心距h 为O 到O'之间的距离，h 不同，则气隙磁密径向分量的分布也不同。磁极不等厚时，气隙磁密径向分量可表示［2］:

Halbach 型结构永磁电机转子每极磁钢由多块永磁体组成。本文所分析的Halbach 型转子每极磁钢包括5 块永磁体，如图1(c)所示，采用正弦充磁方式，充磁夹角β［7］:

式中:p 是极对数;m 为每极永磁体的分块数。

图1 不同转子结构图

2 永磁电机的有限元分析模型

为便于分析计算，基于以下假设条件建立高速永磁电机磁场分析模型:

(1)采用二维静态磁场分析，不计电机端部效应，且磁场沿轴向均匀分布;

(2)忽略电机外部漏磁场，定子外表面圆周和转子内表面为零磁矢位面;

(3)忽略铁磁材料中的涡流损耗和磁滞损耗。

由以上假设取整个电机截面作为求解区域，设磁矢位Az为求解函数，利用有限元分析软件建立高速永磁电机模型，其电磁场问题可表示成边值问题:

式中:γ 为磁阻率;Az为磁矢位;Γ1，Γ2分别为第一、二类边界。

式(1)等价为条件变分问题如下:

式中:Ω 为所分析电机的求解区域。

3 高速永磁电机有限元磁场分析

为比较不同磁极结构对高速永磁电机性能的影响，依照表1 参数建立传统磁极结构、不等厚磁极结构以及Halbach 型磁极结构高速永磁电机仿真模型，分析不同转子结构下高速永磁电机磁场的分布情况。

表1 高速永磁电机参数表

3.1 2 极高速永磁电机气隙磁场对比分析

图2 为三种不同转子结构的2 极高速永磁电机磁感应强度B 分布矢量图。

图2 2 极电机不同转子结构磁感应强度分布矢量图

图2(a)中定转子轭部磁密较高，易发生磁路饱和;图2(b)定转子轭部磁密相对较小并较传统结构分布均匀;图2(c)磁密分布均匀，磁钢处磁密相对较大，随着距磁体的距离增加，磁通发散量逐渐增加。

图3 为三种磁极结构的2 极高速永磁电机在同一磁极下、平均气隙半径处的气隙磁密分布对比图。图4 为该情况下气隙磁密的各次谐波含量分布情况。

图4 2 极永磁电机气隙磁密谐波分解

由图4 可见，传统磁极结构气隙磁密比不等厚磁极结构大，Halbach 结构气隙磁密更接近于正弦波。传统结构的基波幅值约为0.34 T，不等厚磁极结构约为0.38 T，比传统结构高约11.8%，而其他次谐波均小于传统结构。Halbach 结构约为0.57，比传统结构高67%左右，除3 次、11 次谐波外，其它次谐波均高于传统结构和不等厚磁极结构，5 次谐波尤甚，且由于Halbach 型磁极机构随着每极磁钢分块数的增加更趋近正弦波［2］，较适用于永磁同步电动机。

3.2 4 极永磁电机气隙磁场对比分析

图5 为三种不同转子结构的4 极高速永磁电机磁感应强度B 分布矢量图。

图5 4 极电机不同转子结构磁感应强度分布矢量图

图5(a)、图5(b)中磁钢磁密在极间达到最大，但图5(b)增加了极间漏磁，磁通密度较图5(a)小，且文献［3］指出，不等厚磁极结构当磁极偏心距增加时，气隙磁密波形的平顶宽度将减小，更趋近正弦波，所以不适合应用于无刷直流电动机;图5(c)中磁钢处磁密均匀分布，转子轭部磁路较宽松，磁密较小，此结构的电动机可采用较小的转子铁心轭厚度，这对降低电机的体积和质量，从而提高电机的转矩密度和功率密度极为有利。此外，Halbach 型磁极结构的极间漏磁较小，具有较好的磁屏蔽性能。

图6 为三种磁极结构4 极高速永磁电机在同一磁极下、平均气隙半径处的气隙磁密分布对比图。图7 为该情况下气隙磁密的各次谐波含量分布情况。

图7 4 极永磁电机气隙磁密谐波分解

由图7 可见，传统结构和不等厚磁极结构的气隙磁密波形更接近于方波，而Halbach 型磁极结构更趋近于正弦波。此外，传统结构基波幅值约为0.17 T，不等厚磁极结构约为0.22 T，较传统结构高约29%，其它次谐波幅值均小于传统结构;Halbach 基波幅值约为0.35，较传统磁极结构高约106%，较不等厚磁极结构高约59%，其它次谐波均小于传统和不等厚磁极结构。

4 结 语

通过对比分析3 种磁极结构的2 极和4 极高速永磁电机磁场分析，可得:

(1)4 极电机磁钢磁密分布较2 极均匀，2 极电机气隙磁密基波幅值更高，气隙磁密值也较大。

(2)Halbach 结构谐波含量小，转子轭部磁密较低，可发挥磁钢更大的性能，较适合永磁同步电动机。

(3)不等厚磁极结构虽能达到减振降噪的效果，但会使极间漏磁增加，降低永磁体的利用率，增大电机的体积及成本。

［1］ 王秀和.永磁电机［M］.北京:中国电力出版社，2011:91 -93.

［2］ 张学成，杨向宇，曹江华.不等厚磁极对无刷直流电动机性能分析［J］.微特电机，2014，42(2):9 -13.

［3］ WANG Xiu -lian，MA Xiu - li，YUAN Xue - zhong. Analysis of Magnetic Field for Inner Rotor Coreless Permanent Magnet Machines with Halbach Array［C］// 2011 International Conference on. Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices(ASEMD).Sydney，2011:335 -338.

［4］ 李立毅，李鹏，吴红星.永磁直线同步电动机Halbach 阵列磁场分析［J］.微电机，2009，42(4):8 -10.

［5］ 李延升，窦满峰，张春雷.Halbach 型磁钢的永磁电机气隙磁场解析计算［J］.微电机，2013，46(3):6 -9.

［6］ 王继强，王凤翔，孔晓光.高速永磁发电机的设计与电磁场性能分析［J］.中国电机工程学报，2008，28(20):105 -110.

［7］ 李延升，窦满峰，赵冬冬.磁钢充磁方式对表贴式永磁电机磁场影响分析［J］.电机与控制学报，2011，15(12):26 -31.