空心杯电机永磁体不同拓扑结构的比较分析

袁永杰，郑文鹏，尤 莹，赵金磊，李立娜

(1.中国电子科技集团公司第二十一研究所，上海 200233；2.西安现代控制技术研究所，西安 710065)

0 引 言

空心杯电机不存在齿槽，没有齿槽转矩，因此噪声和振动小；其物理气隙较大，电感较小，换向火花小因而电磁兼容性能好；空心杯电机无铁心损耗，故效率较高。空心杯电机在自动化装备和伺服系统中有着广泛的应用。

空心杯电机的永磁体结构多种多样，有环形磁钢、瓦片形磁钢；有平行充磁、径向充磁等。文献[1-2]采用瓦片形磁钢对电机磁场的影响进行了分析，但没有与环形磁钢进行对比分析。文献[3]对无刷直流电动机环形磁钢和瓦片形磁钢的气隙磁场谐波和气隙磁密进行了分析，但仅比较了二者的最大气隙磁密，未进一步比较平均气隙磁密，且未考虑环形磁钢不需要导磁轭的情况。目前尚未有文献对空心杯电机永磁体的选型有明确的结论。

本文总结了空心杯电机常用的几种永磁体拓扑结构形式，并通过有限元仿真分析了不同拓扑结构对电机性能的影响，结果表明，在相同的电机体积下，平行充磁环形磁钢具有最大的平均气隙磁密和接近正弦的气隙磁密波形，优于其它拓扑结构，该结果为空心杯电机的永磁体选型提供了依据。同时计算了不同拓扑结构相应的计算极弧系数，为空心杯电机使用磁路法计算电机参数提供了参考。本文所采用的磁钢均为一对极，不考虑各向异性的影响。

1 空心杯电机永磁体的基本结构

空心杯有刷电机一般由机壳、内定子、转子杯组件、轴承和刷架组件组成。转子杯组件由转子杯、换向器和转轴组成，转子杯采用斜绕组、菱形绕组或其他形式的绕组，形成杯形结构，粘结在转轴支撑架上，如图1所示。

内定子组件一般包含内定子支架和永磁体，是否需要导磁轭视情况而定。为减轻质量，内定子支架一般采用不导磁的铝合金材料。内定子有三种主要的结构形式。第一种是采用环形磁钢，直接粘结在非导磁的内定子支架上，如图2所示。第二种是采用环形磁钢，粘结在导磁磁轭上，再装入非导磁支架上，如图3所示。第三种是由瓦片型磁钢和导磁磁轭组成，粘结在非导磁的内定子支架上，如图4所示。而三种结构中磁钢又有径向充磁和平行充磁两种。因此，内定子共有六种基本的拓扑结构，分别为平行充磁瓦片形磁钢、径向充磁瓦片形磁钢、平行充磁无导磁轭环形磁钢、径向充磁无导磁轭环形磁钢、平行充磁有导磁轭环形磁钢、径向充磁有导磁轭环形磁钢。

图2 环形磁钢内定子结构图(无导磁轭)

图3 环形磁钢内定子结构图(带导磁轭)

图4 瓦片型磁钢内定子结构图

2 六种转子拓扑结构的比较分析

在电机结构和绕组等其他零部件参数完全相同的情况下，电机的输出性能主要和主磁通Φ0相关，而在磁钢面积相同的情况下，其平均气隙磁密的大小就决定了磁通的大小。因此对环形磁钢和瓦片形磁钢、径向充磁和平行充磁、环形磁钢有无导磁轭等六种拓扑结构进行平均气隙磁密的对比分析，以确定最优的永磁体形式。

六种拓扑结构的磁钢采用相同的磁钢外径和轴向长度。需要导磁轭进行磁路闭合时，导磁轭内孔与环形磁钢内孔相同，并且为保证瓦片形磁钢的性能，导磁轭尽量薄，以接近材料的磁饱和程度。

Φ0=BδavS=αiBδS=αiBδτl

式中：S=τl为永磁体一个极距下的面积；αi为计算极弧系数；Bδav为平均气隙磁密；Bδ为最大气隙磁密。

另外通过下式计算六种拓扑结构的计算极弧系数，特别是环形磁钢的计算极弧系数，为环形磁钢的磁路计算提供参考[4]。

(1)

平行充磁的环形磁钢的气隙磁密(气隙长度2.2 mm～2.8 mm)如图5所示，比较接近正弦曲线。

图5 平行充磁的环形磁钢(无导磁轭)磁力线和气隙磁密

平行充磁的瓦片形磁钢的磁力线分布(瓦片形磁钢缺口角度10°～40°)如图6所示。由于2个磁极间存在较大的漏磁，气隙磁密出现了负值，引起平均气隙磁密和计算极弧系数降低，但其气隙磁密最大值与环形磁钢相当。

径向充磁的瓦片形磁钢的磁力线分布(瓦片形磁钢缺口角度10°～40°，磁钢厚度7.5 mm) 如图7所示。由于两个磁极间漏磁较小，气隙磁密近似矩形，故计算极弧系数与极弧系数相当，但其气隙磁密最大值低于环形磁钢。

图7 径向充磁的瓦片型磁钢磁力线和气隙磁密

与径向充磁的瓦片形磁钢类似，径向充磁的环形磁钢计算极弧系数较大，而由于极间漏磁较大，最大气隙磁密小于平行充磁，如图8所示。另外，矩形的气隙磁密不利于换向，因此还会带来换向火花大、电磁干扰大的问题。

图8 径向充磁的环形磁钢(无导磁轭)磁力线和气隙磁密波形

环形磁钢内孔若使用导磁轭，环形磁钢中部分磁通通过导磁轭的路径形成闭环，减小了磁路的磁阻，有利于增大磁通；为保证体积相同，导磁轭和磁钢的总体积与原磁钢的体积相同，这又导致了永磁体体积的减小，会降低气隙磁通和磁密。因此，采用有限元方法对带导磁轭的环形磁钢(径向充磁和平行充磁)进行了分析。结果如图9、图10所示，其形式和不带导磁轭的环形磁钢基本一致。

图9 平行充磁的环形磁钢(带导磁轭)磁力线和气隙磁密波形

图10 径向充磁的环形磁钢(带导磁轭)磁力线和气隙磁密波形

计算六种磁钢的平均气隙磁密Bδav、计算极弧系数和最大气隙磁密如表1所示。

表1 不同拓扑磁钢的平均气隙磁密

从以上分析可以看出：径向充磁气隙磁密基本呈方波，不利于电机换向；瓦片形磁钢的性能低于环形磁钢；平行充磁环形磁钢的平均气隙磁密最大，且气隙磁密接近正弦波，有利于换向；带导磁轭的环形磁钢平均气隙磁密略低于平行充磁环形磁钢，但由于其使用的永磁体材料较少，该结构可以节约永磁体成本。

如果需要更高的电机输出性能，可以将图2中内定子支架采用导磁材料，这样既不会减少永磁体的体积，又能增大气隙磁密和磁通，经计算气隙磁密增加近8%，其结果如表2所示。该结构的缺点是与采用铝合金材料的内定子支架相比，质量有所增加。

表2 支架为导磁材料的环形磁钢磁密计算结果

3 结 语

通过对空心杯电机的六种永磁体拓扑结构的分析计算，得出以下结论：

(1)环形磁钢的磁性能优于瓦片形磁钢，平行充磁优于径向充磁。

(2)在相同的电机体积下，平行充磁环形磁钢具有最大的平均气隙磁密和接近正弦的气隙磁密波形，优于其他拓扑结构。

(3)在环形磁钢和导磁轭总体积一定的情况下，环形磁钢可不用导磁轭。因为环形磁钢增加导磁轭所带来的磁通增加不足以弥补磁钢体积减小带来的磁通损失。

(4)在磁钢体积不变的情况下，使用导磁的内定子支架可以提高8%的平均气隙磁密和磁通。

(5)本文还计算了不同拓扑结构相应的计算极弧系数，为空心杯电机使用磁路法计算电机参数提供了参考。