基于2D仿真模型内置式永磁电机的漏磁系数研究

占钰涛，周 勇，戴文星，孙海文

应用研究

基于2D仿真模型内置式永磁电机的漏磁系数研究

占钰涛，周 勇，戴文星，孙海文

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文建立了丰田Prius内置式永磁电机的二维仿真模型。采用磁路积分法，计算得到永磁体的漏磁系数。并且分析了不同电机拓扑结构对漏磁系数的影响。结果表明，减小气隙磁密、增大电机定子外径和提升永磁体厚度可以降低永磁体漏磁，提升永磁体利用率。

永磁同步电机 漏磁系数 二维仿真模型

0 引言

内置式永磁电机具有结构简单、机械强度高、控制容易等优势，在电动汽车、轮船推进等领域得到广泛的运用。相对于表贴式永磁电机，内置式永磁电机的永磁体距离定子齿部的距离更大，漏磁磁路更多，因而漏磁也更大。进行内置式永磁电机的漏磁系数分析研究，对提高永磁体利用率，提升经济效益，降低资源浪费具有现实意义。

文献[1]提出了“一”型磁钢空载漏磁系数较准确的路算方法。文献[2]简述了三种计算永磁电机漏磁系数的方法，但未对方法的准确性进行进一步分析。文献[3]研究了不同隔磁措施对切向永磁同步电机轴部漏磁的影响。文献[4]对漏磁系数的计算方法和准确性进行了充分的阐述。目前对内置式永磁电机漏磁系数影响的研究较少，且大都集中在对永磁体本身结构的研究。本文以丰田Prius电机作文研究对象，研究了电机外径、气隙长度和永磁体厚度等参数对永磁体漏磁系数的影响，对内置式永磁电机的设计具有指导意义。

1 漏磁仿真模型建立

本文以丰田Prius内置式永磁电机作为研究对象，基本参数额定转矩240 Nm，额定转速3000 r/min，电机相数3，定子外径269.2，定子内径161.9，槽数44，转子外径160.4，转子内径110.6，极对数4，铁心长83.8 mm，气隙长度0.75 mm。

图1 丰田Prius电机仿真模型

采用磁密积分法，漏磁系数可表示为：

对于此二维模型，漏磁系数可表示为：

图2 主磁通和总磁通示意图

所建立的丰田Prius电机的二维Ansoft仿真模型如图1所示。此二维分析模型的准确性已在文献[4]中得到证明。

图3 总磁通示意图

图4 主磁通Bm示意图

2 电机结构参数对漏磁系数的影响

2.1 气隙长度对漏磁系数的影响

改变气隙的长度，提取不同长度下的主磁密和总磁密波形，再依据式（2），计算得到漏磁系数关于气隙长度的变化规律，如图5所示。

图5 漏磁系数随气隙长度变化规律

由图5可知，随着气隙长度的增加，气隙位置的磁阻增大，气隙中的漏磁成分提升，从而漏磁系数呈现一直上升的趋势，即永磁体的漏磁不断提升，永磁体利用率不断下降。

2.2 定子外径对漏磁系数的影响

在原模型的基础上，改变定子铁心外径，分析得到不同定子外径下永磁体的漏磁系数变化趋势，如图6所示。

图6 漏磁系数随定子外径变化规律

根据分析结果可知，随着定子铁心外径的增大，漏磁系数在一开始呈现显著的下降趋势，但很快趋于稳定。因此，可以选择曲线的拐点作为定子外径的尺寸，这样可以在保证永磁体利用率的情况下，避免硅钢片的浪费。

2.3 永磁体厚度对漏磁系数的影响

为研究永磁体厚度对漏磁系数的影响，计算得到漏磁系数随永磁体厚度变化的曲线，如图7所示。

图7 漏磁系数随永磁体厚度变化规律

随着永磁体厚度的提升，总磁通不断增大，主磁通和漏磁通也随之增大。但漏磁系数却呈现下降的趋势，即增大永磁体的厚度可以提升永磁体的利用率。在电机设计的过程中，在保证主磁通不变的情况下，可以适当降低永磁体宽度，增加永磁体厚度，来提升永磁体的利用率。

3 结论

本文以丰田Prius电机作为研究对象，采用磁密积分法，提取了电机主磁通和总磁通，并对不同电机拓扑结构对漏磁系数的影响进行了分析。结果表明，可以采取适当减小气隙磁密、增大电机定子外径和提升永磁体厚度的方法来降低永磁体漏磁。对电机设计过程中减少资源浪费、提升经济效益具有指导意义。

[1] 孙程英, 刘明基, 罗应立. 切向式永磁同步电机不同转子结构的轴部漏磁分析[J]. 微特电机, 2010, 38(02): 27-29.

[2] 陈彬, 胡余生, 陈东锁, 孙文娇, 吴雨顺. 永磁同步电机漏磁系数计算方法研究[J]. 科技创业家, 2013(07): 82+84.

[3] 公超, 刘景林, 胡晓杰, 霍达. “一”型磁钢永磁电机空载漏磁系数计算[J]. 微电机, 2015, 48(10): 20-23.

[4] 周勇, 占钰涛, 戴文星. 基于Ansoft的永磁电机漏磁系数仿真准确性研究[J]. 船电技术, 2021, 41(09): 54-56.

Research on flux leakage coefficient of built-in permanent magnet motor based on two-dimensional simulation model

Zhan Yutao, Zhou Yong, Dai Wenxing, Sun Haiwen

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM351

A

1003-4862（2023）10-0064-03

2022-11-03

占钰涛（1995-），男，助理工程师。研究方向：机电检测。E-mail: 155187330@qq.com