12槽10极磁通切换型永磁同步电机设计与分析

周成虎，孔婉琦，黄明明

(1.河南工程学院，郑州 451191；2.河南牧业经济学院，郑州 450044)



12槽10极磁通切换型永磁同步电机设计与分析

周成虎1，孔婉琦2，黄明明1

(1.河南工程学院，郑州 451191；2.河南牧业经济学院，郑州 450044)

磁通切换型永磁同步电机因其定转子拓扑简单、结构紧凑、转矩密度大、故障率低等优点，能够实现电机在较宽速度范围内运行调速，适用于风力发电、混合动力汽车等领域。在深入分析磁通切换型永磁同步电机磁通切换工作原理基础上，设计了一台12槽10极磁通切换型双凸极电机，采用有限元方法计算了电机的气隙磁场、永磁磁链和反电动势、齿槽转矩以及输出转矩等电磁特性。最后通过一台3 kW样机对其转矩特性进行了实验验证，实验结果与有限元仿真结果一致，验证了上述方法的正确性。

磁通切换；永磁同步电机；转矩特性；齿槽转矩

0 引 言

近年来，永磁同步电机(以下简称PMSM)以其结构简单、功率密度高、运行可靠性好以及维护成本较低而得到较大发展。PMSM采用高能永磁体作为磁势源能够提供大的磁动势，使得电机力能指标得到较大提升[1]。并且与传统电励磁电机相比，电机铁耗和铜耗大幅下降，在电机体积重量减小的同时电机功率因数得到提高， PMSM可以在接近单位功率因数状态运行，因此在多个工业领域越来越引起人们重视。传统PMSM多采用转子永磁式结构，为满足不同应用场合需要，转子型永磁同步电机结构较为灵活多样，依据永磁体位置不同PMSM通常可分为表贴式、Halbach式和内嵌式三种结构，不同转子结构能使得PMSM电磁性能不尽相同。但转子型永磁型PMSM主要存在散热困难和离心力过大问题，前者使得电机温升容易过高，导致电机容易发生故障，并且较大的温升也会使得永磁体产生不可逆退磁现象，设计者在设计电机时需要留出一定冗余量，造成电机出力不足、功率密度难以提升，制约了电机性能的提升[2]。此外，当转子部分高速旋转时电机产生较大的离心力，此时对转子永磁体安装有着特殊要求，若转子永磁安置不佳，则容易出现永磁体被甩出的情况，通常处理方法为采用额外的加固部件对转子部分进行固定，以确保电机的机械强度，然而增加的固定装置提升了电机结构的复杂度，也使得制造成本有所增加[3]。

磁通切换型永磁同步电机(以下简称FSPMSM)则能够克服以上两个问题，通过采用定子永磁结构，将永磁体嵌入布置在定子齿上，转子采用凸极齿轮式结构，整个电机采用集中式电枢绕组连接，使电机结构得到大大简化，同时定子内嵌式永磁体结构使得电机在功率密度、转矩密度和功率因数方面有着较好表现，同时也降低了永磁体的退磁风险，在风力发电、电动汽车、舰船推进等应用场合有着较好的应用前景[4]。因此，围绕FSPMSM新型拓扑、电磁参数计算、静态分析以及高效控制算法等方面，国内外学者展开了相关研究，取得了一系列研究成果[5-7]。与同尺寸PMSM相比，FSPMSM具有较优的调速区间，因此本文从分析FSPMSM工作原理入手，设计了一台12槽10极FSPMSM，并计算和分析了其电磁特性，最后制作了一台3 kW三相12槽10极FSPMSM样机并进行了实验验证。

1 FSPMSM结构及磁通切换原理

定子永磁型三相FSPMSM拓扑结构如图1所示，绕组连接如表1所示。

(a)电机结构及绕组排列(b)三维剖面图

(c) 绕组连接星槽图图1 12槽10极FSPMSM拓扑及绕组排列 表1 12槽10极FSPMSM绕组连接

槽号1234…上层边A+B+B-C-…下层边…A-B-B+C+

图1(a)为电机平面结构图，定转子采用12槽10极配合，定子部分采用12个U型模块导磁铁心, 每一个定子齿内嵌永磁体，形成12片切向交替充磁的永磁体。电机转子采用齿轮式凸极结构，类似于传统开关磁阻电机转子部分。图1(b)为电机三维剖面图，可观察到转子部分采用齿轮式凸极无绕组形式，结构简单，与传统转子永磁型PMSM相比，此类型电机显然在降低温升方面有着较优表现，适合于大转矩推力以及对温升较为敏感的精密加工领域表1为其绕组连接，整个电机绕组沿圆周均布采用三相集中式结构，采用周期性A+A-B+B-C+C-连接,每相绕组分别由4 个线圈构成。绕组端部较分布式绕组减小较多，能够大大节省绕组铜导线用量，从而减小端部效应大大降低电机端部损耗，电机效率得到提升。同时此电机绕组具有互补性特点，可以大大减少甚至抵消永磁磁链、反电势波形中的高次谐波分量，即使转子不采用斜槽结构仍可获得较高正弦度的波形。图1(c)为其星槽图，此12槽10极电机结构绕组因数高达0.960，远大于12槽其它极槽组合电机绕组系数，相同绕组数时能够产生更大的反电势。

所谓磁通切换原理，是指随着转子转动，磁链会随之发生方向和数量改变，产生正负极性交变和数值大小变化。电机的一个电周期即为一个转子极距，对应着磁通数值随磁链从进入绕组到穿出绕组在最大与最小之间变化[8]。当凸极转子在穿出和穿入两个位置之间持续运动时，电枢绕组匝链的永磁磁链就不断地在正负最大值范围内呈重复性周期变化，绕组两端产生出幅值和相位交替变化的反电势，此过程即被称为“磁通切换”。

2 12槽10极FSPMSM尺寸确定

与传统磁通切换磁阻电机类似，FSPMSM定子均采用集中式绕组，转子采用凸极设计。当确定所设计FSPMSM功率以及定转子极槽数目后，电机定子外径可通过功率尺寸方程求得[9]：

(1)

式中：Dg为电机外径；Pout为额定输出功率；Z为电机定子数；n为转速；Bgmax气隙永磁磁密峰值；As为线负荷；Pr为永磁体极对数；η为电机效率；kd为波形系数；ke为漏磁系数；cosθ为功率因数。

电机轴向有效长度Lef为：

(2)

式中：λ为电机外径与轴向长度的比值，通常初始取值在0.40～0.65范围之间。

电机每相绕组数Nc为：

(3)

式中：U为电机的额定电压。

气隙中心线处最大气隙磁通密度Φmax为：

(4)

输出转矩T表达式：

(5)

基于上述分析，设计一台12槽10极FSPMSM，输出功率Pout为3kW，其基本尺寸如表2所示。

表2 12槽10极FSPMSM基本尺寸

3 FSPMSM静态电磁特性分析

图2为12槽10极FSPMSM的磁场分布，剖分时在定子轭部增加一层空气区域以分析其外部漏磁情况，网格剖分结果如图2(a)所示，磁力线分布如图2(b)所示，磁密云图如图2(c)所示。

(a)剖分图(b)磁力线分布

(c) 磁密云图图2 12槽10极FSPMSM磁场分布

由图2(a)网格剖分结果可看出其网格剖分质量较好。对于图2(b)，从其磁力线分布中可以明显看出其10极结构。对于图2(c)磁密云图，因其采用定子永磁型结构，在轭部有稍许漏磁，同时定子内嵌永磁体处磁密较为饱和。

图3为12槽10极FSPMSM径向气隙磁密分布。

图3 12槽10极FSPMSM气隙磁密分布

由图3可以看出此电机的气隙磁密波形分布不规则，谐波分量稍多，类似于传统的开关磁阻电机。同时由于永磁体是切向交替充磁的，使得电机聚磁效应明显，两块永磁体产生的磁通会聚在一起穿过气隙进入转子齿，即使不可避免地有相当的漏磁通，该电机的气隙磁密依然远远高于其它类型永磁电机，由图中可以看出磁密峰值可以达到2.4 T，而较高的气隙饱和程度能够匝链更多的绕组磁通，使得电机输出转矩大大增加。

由图1(a)可知，12槽10极FSPMSM每相绕组有4 个线圈, 其中两两相对的线圈分别呈180°对称。以A相为例，由于水平方向上A+和A-同属A相, 每相磁通为两个线圈磁通叠加之和，同理反电势同样满足此叠加原理。叠加后的电机磁链和反电势分布如图4所示。

(a)磁链波形(b)反电势波形

图4 12槽10极FSPMSM磁链与反电势波形

由图4可以看出，所设计磁通切换电机磁链和反电势波形均呈现双极性，并且电机磁通和反电势正弦度较好，表明电机谐波分量较小。

电枢绕组电流密度对电机性能有着大的影响，取电流密度从2.5 A/mm2到6.5 A/mm2变化，12槽10极FSPMSM输出转矩随电流密度变化如图5所示。

图5 输出转矩随电流密度变化曲线

由图5可以看出，所设计FSPMSM输出转矩随着电流密度升高而增加， 但是电流密度的增大会带来电机温升的增大，同时可以看出，在电流密度超过4.5 A/mm2后，电机转矩提升并不明显，因此考虑温升及损耗因素后，本电机设计电流密度取值为4.5 A/mm2。

FSPMSM一个显著特点是有着较大的输出转矩，为验证其大的输出转矩特性，这里选取某商用PMSM(P=3 kW,n=1 500 r/min)与其进行对比，二者转矩输出特性曲线如图6所示。

由图6可以看出所设计FSPMSM其输出转矩为19.1 N·m，而同功率传统PMSM输出转矩为15.2 N·m，因此同功率FSPMSM较传统转子永磁型PMSM输出转矩增加20.4%左右，且随着电机功率等级的增加，其在得到大转矩输出的同时，所特有的电机结构使得散热较传统永磁同步电机有明显提升。

图6 12槽/10极FSPMSM转矩特性

齿槽转矩是衡量电机性能优劣的重要指标，其由电机定转子间开槽所引起的，是电机噪声、振动的主要来源。12槽10极FSPMSM齿槽转矩优化前后对比如图7所示。

图7 12槽10极FSPMSM齿槽转矩优化前后对比

从图7可以看出，在保证高转矩输出能力的同时，也必然导致了其齿槽转矩较大，优化前其齿槽转矩值为约1.2 N·m，接近输出转矩的6.2%。大的齿槽转矩会带来电机运行时有较大噪声和振动，严重时导致电机不能正常工作。因此应尽可能降低齿槽转矩值，可看到优化后的齿槽转矩值为0.40 N·m，约为输出转矩的2.1%，满足工程应用精度要求。

4 仿真分析与实验论证

基于上述有限元计算和分析，笔者设计了一台3 kW三相12槽10极FSPMSM，绕组形式采用集中式三相绕组，其主要参数如表3所示。

表3 三相12槽10极FSPMSM样机主要参数

以所设计电机为测试对象，连同转矩测试仪等器件搭建了12槽10极3 kW FSPMSM实验平台，如图8所示。

基于此实验平台，为了验证所设计电机性能，采用示波器、光电编码器，连同转矩(扭矩)测试仪测量了其反电势、输出转矩，并与有限元计算值进行对比，分别如图9、图10所示。其中转矩测试时采用效率较高的矢量控制方法[10]，电机额定运行时A相电流波形如图11所示。

图8 磁通切换型永磁同步电机实验平台

图9 实测反电势波形图10 实测输出转矩

图11 电流测试波形(A相)

由图中可以看出，电机转速在1 500r/min时， 实测值与有限元计算总体趋势一致，实测反电势峰值略低于理论值，而最大输出转矩约为18.5N·m，与输出转矩理论值相19.1N·m相比，实测输出转矩有稍许跌落，主要原因在于电机制造加工精度以及绕组端部效应所引起的损耗。

5 结 语

在对FSPMSM磁通切换原理深入分析基础上，给出了其基本电磁设计表达式，设计了一台12槽10极磁通切换型永磁同步电机，采用有限元方法分析并计算了电机气隙磁密、磁链、反电势、齿槽转矩和输出转矩等静态特性。最后通过设计一台3kW12槽10极FSPMSM样机对上述设计、分析与计算进行了实验验证，通过实测反电势、输出转矩波形与有限元计算结果比较，验证了上述分析和设计的正确性，表明此类电机在输出转矩、冷却等方面由于传统永磁同步电机，对进一步研究此类电机在较小体积和质量、较大出力等限制较多场合应用有一定参考价值。

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Design and Analysis of 12 Slots/10 Poles Flux Switching Permanent Magnet Synchronous Machine

ZHOUCheng-hu1,KONGWan-qi2,HUANGMing-ming1

(1.Henan Institute Engineering,Zhengzhou 451191,China；2.Henan University of Animal Husbandry and Economy，Zhengzhou 450044,China)

With the features of stator and rotor′s simple structure, compact design, high torque density and low failure rate, flux switching permanent magnet synchronous machine (FSPMSM) can effectively broaden the performance speed range in the fields of wind power generation and hybrid vehicles applications. Based on the analysis of the working principle of this machine, one 12 slots 10 poles FSPMSM was designed by FEM, in additional, the corresponding air-gap flux density, the flux linkage, the back EMFs, cogging torque and output torque of the machine are calculated. Finally, a 3 kW prototype was designed to investigate the mentioned analysis and calculation above. The experimental results are consistent with the FEM results, which verify the correctness of above methods.

flux switching； permanent magnet synchronous machine (PMSM)； torque characteristic; cogging torque

2015-07-13

国家自然科学基金项目(61403123)；河南省教育厅科学技术研究重点项目(14A510010)

TM341；TM351

A

1004-7018(2016)07-0030-04

周成虎(1973-)，男，硕士，讲师，研究方向为电机与电器、非接触电能传输技术。