6/4结构磁通反向永磁电机设计及模拟

罗金桐 朱传辉 梅从立 张国琴 彭涛 韩安太 姚玮

(浙江水利水电学院电气工程学院 浙江杭州 310018)

随着我国科技水平的不断发展与进步，国家战略稀土资源的开发成本不断降低，回收利用率也逐步提高。永磁体材料应用范围的不断扩张和电力电子技术的不断进步，使得永磁体成本有了本质上的降低，永磁电机的领域和应用有了更为广阔的市场。永磁无刷电机根据永磁体布置位置可分为定子永磁型电机和转子永磁型电机[1-3]。永磁电机可以分为以下几种：同步电机、直流电机、磁阻电机和特种电机[4]。由无刷直流电机[5]和开关磁阻电机可以结合一种新型的定子永磁型无刷电机[6]。将永磁体安装在电机定子轭部，且绕组缠绕于定子轭之间，而转子侧既没有永磁体也不布置励磁绕组，当转子齿转动经过永磁体时，通过转子齿部所形成磁通方向交替出现，即形成了磁通切换电机和磁通反向电机[7]。

传统的永磁型电机磁场包括两个部分，即位于定子侧的绕组励磁磁场和位于转子侧的永磁体磁场。但在实际工作过程中，由于转子的高转速摩擦空气而产生的热量，无法快速散去，使永磁体温度过高，较高的温度会增加永磁体的高温失磁风险，因此在电机设计时，不能根据实际用途而增加电机的功率密度，限制了其发展空间；永磁电机的固有缺陷即：不足的转子机械强度使得电机的可靠性进一步下降；尤其在故障状态下，带载能力明显不足，应对突发事件能力明显不足[8-9]；磁通反向永磁（FRPM）电机与永磁体表贴式电机的结构类似，它的磁力线分布在气隙之中[10]，同时也是一种定子永磁型电机，在定子内侧上面安装永磁体，使安装工艺和制作成本大为降低，更能有效降低电机气隙长度，提高功率密度[11]。此外，永磁体产生的热量可以通过定子铁心直接传送到机壳，散热便利，有益于提高电流密度[12-13]。该文讨论了磁通反向永磁电机的基本原理，以磁通反向为特点对电机进行了设计，对电机定子和转子的结构、永磁体布置方式、磁场的分布、相关参数的确定等进行了研究和仿真模拟。

1 基本结构与工作原理

FRPM电机的组成包括定子、永磁体、转子及绕组等结构，其中永磁体被安装在定子的齿部，与转子的齿端有一定的空隙，形成了气隙，具体见图1。根据相邻永磁对应端磁极的不同，FRPM 电机的永磁体布置方式有两种：第一种是相邻永磁体的对应端磁极为同磁极（同为“N”极或同为“S”极），见图1（a）；第二种布置方式为相邻永磁体的对应端磁极为异磁极（“N”极和“S”极成对出现），见图1（b）。当同一转子齿转过一个永磁体时，穿过转子齿的磁通方向会发生变化，永磁磁通刚好反向，因此也就有了磁通反向的概念。无论何种充磁方式，当转子旋转时，都会引起线圈中的永磁磁通变化，进而产生感应电动势[8-9]。

图1 FRPM电机基本拓扑结构

2 磁通反向电机的设计和分析

2.1 槽极配比的选择

FRPM 电机的永磁体安装位置为定子的齿部，因此定子齿的数量即为永磁个数，由于磁通反向的充磁特点以及综合文献分析，该设计选择定子齿数量为6，即对应的槽数和永磁体个数均为6。由于转子齿对应于永磁体的布置特点，因此选择转子齿为4个，形成了6/4结构的FRPM电机。定子上有集中绕组，转子上没有绕组。电机定子的外径设置为138 mm，定子内径为76 mm，永磁体厚度3 mm。该定子为6槽结构，用相隔60°排列方式排布，永磁体安装在定子面向的气隙侧。永磁体材料为钕铁硼，该材料具有同等材料用量可提供更大的转矩，转子齿按照间隔90°来排布，转子外径75 mm，转子内径30 mm，叠长100 mm。

2.2 气隙尺寸设计

FRPM 电机的气隙是永磁体与转子之间的位置，它的大小是由电机的装配设计估算所决定的，气隙过大会导致漏磁较多，过小又会导致磁饱和较强同时也会增加永磁体与转子之间摩擦的概率。只有当气隙被控制在一个较为合理的数值时，才会使得电机的效率最大化并且也不影响工艺水平。

在小容量的电机中，气隙太大了漏磁多、太小了在高速旋转的过程中容易扫到定子壁，造成磨损影响电机寿命。通过不断地进行仿真试验，最终得出当气隙为0.5 mm 时，电机效率最高。因此，在该设计中气隙为0.5 mm。

2.3 永磁体充磁设置

基于永磁体布置时形成的磁通反向的特点，永磁体位于定子槽侧的充磁方向相同，当转子由静止发生运动时，永磁体发出的磁通穿过气隙进入定子的线圈绕组；当转子转过一定的角度的时候，永磁体磁通变成相反的方向，则磁通离开线圈，穿过气隙沿着垂直气隙的方向进入转子。

3 结果与分析

3.1 电机静态磁场分析

为进一步仿真分析电机电枢对电机性能的影响，仿真出了达到稳定状态时电机的磁通密度，图2 为静态磁密分布图，从中可以看出在稳态时磁密的分布主要都在定子的轭部和转子的齿部。图3为静态磁链的分布图，从中可以看出有限元仿真得到双极性变化的磁链在绕组中感应出反电动势，因为永磁体排布分布中就会出现磁通反向。通过对比分析可知，稳态状态下，电机内部的磁密和磁链在定子轭部和转子的齿部集中且均匀地分布。

图2 静态磁密分布

图3 静态磁链分布

3.2 转子角度与电流的关系

图4 为电感跟转子角度与电流的关系，可以看成是一个向下的抛物线结构，当转子角度为30°时，则是一个拐点，此时电感最大。而在左侧则电感随转子角度的减少而增加，在右侧随转子角度的增大而减少。图5为转子角度、电流、磁链的相互关系，从图5可以看到有两个拐点，当拐点为40°时，此时磁链最小。10°的时磁链最大，变化周期为60°，经过分析可能因为定子上的永磁体的排列也是按照相隔60°来排列的。

图6为转子角度和电流大小对转矩的影响。当转子角度为30°时，转子磁极与定子A相磁极重合电感最大，当30°～60°时电感逐渐降低。磁链在30°与60°处于整个磁场中度水平，转矩在30°和60°时出现了峰值转矩，60°为转矩与B相定子磁极重合。

图6 转子角度和电流大小对转矩的影响

3.3 极弧系数的敏感性分析

设定电流为定值6 A，转子极弧系数brr 由0.3～0.6、定子极弧系数err 由0.5～0.65。通常，极弧系数的大小与气隙磁通密度的分布情况有关，一般需在理论的基础上再去选择一个经验值，该设计在极弧系数的0.5～0.7的范围内，选择了0.5、0.55、0.6、0.65这4个数值进行仿真验算，当极弧系数为0.65 时，表现最好（平定波输出）。在选定的4 个数值中，电流为常量，磁通随着极弧系数的不断增长而变大。随着电机输出变大极弧系数也会变大，这时会出现一个饱和点，使磁链不再随极弧系数的增大而增大。

4 结语

基于开关磁阻电机的双凸极结构，永磁体布置在定子齿上，每个齿上分为N、S两个充磁方向，分别对电机静态磁密分布情况以及磁链分布进行了仿真和分析，基于无刷电机以及开关磁阻电机的结构和工作特点，设计了FRPM 电机。采用6/4 双凸极结构的FRPM电机，定子内径为76 mm，永磁体厚度为3 mm，转子外径为75 mm，气隙尺寸为0.5 mm，极弧系数为0.65。结果显示：稳态状态下，定子轭部和转子齿部集中且均匀的分布着磁密和磁链；转子角度在0°～30°区间，电感随电流的增加逐渐增加，且在30°的时电感最大。