林 穎，井立兵，2

(1．三峽大學(xué)，宜昌443002;2．湖北省微電網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，宜昌443002)

0 引言

隨著磁性材料的發(fā)展和電機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，永磁同步電機(jī)成為電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。永磁同步電機(jī)根據(jù)其永磁體裝配方式可以分為表面貼裝式(表貼式)、嵌入式(內(nèi)置式)和混合式(表貼－內(nèi)置式)三種。永磁同步電機(jī)電磁性能優(yōu)良，但是其內(nèi)部諧波過(guò)多導(dǎo)致永磁同步電機(jī)的應(yīng)用受到限制，如何抑制諧波是永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［1－2］。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)表貼式和內(nèi)置式永磁同步電機(jī)都做了細(xì)致廣泛的研究，而針對(duì)混合式永磁同步電機(jī)的研究潛力較大。

目前，關(guān)于永磁同步電機(jī)的氣隙磁密優(yōu)化問(wèn)題主要存在三種解決方案:優(yōu)化設(shè)計(jì)永磁體的形狀［3］;精確控制充磁工藝［4］;采用新型的 Halbach 永磁電機(jī)［5］。文獻(xiàn)［6］通過(guò)分析齒槽轉(zhuǎn)矩，提出了一種轉(zhuǎn)子斜極角優(yōu)化方案，能更有效地解決電機(jī)存在的齒諧波問(wèn)題;文獻(xiàn)［7］設(shè)計(jì)了一種“凸”形雙層Halbach陣列永磁電機(jī)，通過(guò)分析單層和雙層磁極結(jié)構(gòu)，得到了影響畸變率磁極結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合;文獻(xiàn)［8］提出了一種計(jì)算任意偏心轉(zhuǎn)子形狀的表貼式永磁電機(jī)磁場(chǎng)和齒槽轉(zhuǎn)矩的改進(jìn)方法，可以大大降低徑向磁通密度的諧波含量。文獻(xiàn)［9］提出一種基于非均勻永磁形狀的磁場(chǎng)分布的新型永磁體形狀優(yōu)化方法，用于減少磁場(chǎng)的諧波和鐵質(zhì)損耗。文獻(xiàn)［10］針對(duì)永磁同步電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)中含有大量諧波的問(wèn)題，提出一種優(yōu)化磁極寬度，以削弱反電動(dòng)勢(shì)中諧波、改善反電動(dòng)勢(shì)波形的方法。

本文在表面貼裝式磁極的基礎(chǔ)上，通過(guò)在磁極間內(nèi)置永磁體來(lái)構(gòu)建永磁體橋的方法，來(lái)減小磁極間漏磁，增大氣隙磁密，減小氣隙諧波，提高氣隙波形正弦性，圖1是電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。通過(guò)仿真結(jié)果可得，本文的內(nèi)置永磁體橋結(jié)構(gòu)在運(yùn)用過(guò)程中能夠?qū)⒒ê吭鰪?qiáng)，并獲得具有較好正弦性的氣隙波形，改善諧波畸變率，對(duì)于抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有顯著效果，具有更高的穩(wěn)定性。

圖1 內(nèi)置永磁體橋電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 內(nèi)置永磁體結(jié)構(gòu)

圖2為內(nèi)置永磁體橋混合結(jié)構(gòu)示意圖。內(nèi)置永磁體橋又分為內(nèi)置直角永磁體橋和內(nèi)置圓弧永磁體橋，前者部分內(nèi)置永磁體相疊為直角放置，后者部分內(nèi)置永磁體相疊為圓弧放置。這樣能夠獲得較好的磁性能，轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度較大，同時(shí)也可減少漏磁。極間距用Wp表示，磁極極弧度用Wf表示。因此，極弧系數(shù)αp可表示:

圖2 兩種永磁體橋結(jié)構(gòu)示意圖

表貼磁極的充磁方式為徑向充磁，hm是內(nèi)置永磁體橋兩條平行線間的長(zhǎng)度，a，b分別為內(nèi)置永磁體橋的長(zhǎng)和寬，hm(α)的傅里葉變換可表示:

式中:p為極對(duì)數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算得出新型磁極結(jié)構(gòu)的永磁體用量。

式中:St表示正常表貼截面積;Sr表示內(nèi)置直角永磁體橋截面積;Sc表示內(nèi)置圓弧永磁體橋截面積;R1表示永磁體外圓半徑;D表示永磁電機(jī)軸長(zhǎng);Vc表示內(nèi)置圓弧永磁體材料體積。

2 有限元分析與計(jì)算

為驗(yàn)證所提方法的準(zhǔn)確性，本文采用8極12槽表貼－內(nèi)置永磁體橋式同步電機(jī)為例進(jìn)行案例分析，內(nèi)置永磁體橋式同步電機(jī)參數(shù)如表1所示。圖3表示三種結(jié)構(gòu)模型的磁力線分布情況，由圖3可知，改進(jìn)型模型磁密值較表貼式有所提高。

圖4為三種電機(jī)模型的氣隙徑向磁密波形比較圖。從圖4可知，內(nèi)置圓弧永磁體橋結(jié)構(gòu)的正弦性較好，而內(nèi)置直角永磁體橋結(jié)構(gòu)和表貼結(jié)構(gòu)氣隙磁密波形相似，無(wú)法直觀看出永磁體橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化效果。圖5是圖3氣隙徑向磁密波形經(jīng)過(guò)傅里葉變換而得到的各結(jié)構(gòu)的氣隙徑向磁密各次諧波幅值。

表1 內(nèi)置永磁體橋式同步電機(jī)模型參數(shù)

圖3 有限元模型

圖4 在各結(jié)構(gòu)下的氣隙徑向磁密波形圖

圖5 在各結(jié)構(gòu)下的氣隙徑向磁密諧波對(duì)比圖

由圖5可知，表貼式結(jié)構(gòu)電機(jī)諧波含量較高，尤為突出的12次諧波和28次諧波;而內(nèi)置永磁體橋結(jié)構(gòu)電機(jī)在經(jīng)過(guò)優(yōu)化改進(jìn)之后，增大了基波幅值，降低了高次諧波，其中內(nèi)置圓弧式永磁體橋的波形更加接近正弦波，基波幅值最大。

電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中都會(huì)存在諧波，本文采用諧波畸變率來(lái)衡量各種尺寸結(jié)構(gòu)下氣隙磁密波形的正弦度，并用THD表示，即:

式中:Bk為k次諧波幅值;B1為基波幅值。

由式(7)可知，隨著氣隙磁密諧波畸變率(THD)的變大，高次諧波含量逐漸增大，基波含量就會(huì)逐漸減少。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到這三種情況下的諧波畸變率，如表2所示。從表2中數(shù)據(jù)可以得出，含有永磁體橋結(jié)構(gòu)的電機(jī)THD值低，諧波含量少。

表2 在不同結(jié)構(gòu)下的氣隙磁密諧波畸變率

3 永磁體橋的充磁方向?qū)χC波的影響

內(nèi)置永磁體橋結(jié)構(gòu)采用充磁方向與電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向方向夾角Δθ的充磁方式，表貼永磁體依然采用徑向充磁，具體充磁方向如圖6所示。

圖6 兩種結(jié)構(gòu)磁力線圖

分別以 Δθ=30°、45°、60°、90°來(lái)考慮這兩情況下的氣隙磁密諧波，氣隙徑向磁密波形如圖7和圖8所示，氣隙磁密諧波對(duì)比如圖9和圖10所示，諧波畸變率如表3所示。

圖7 內(nèi)置直角式永磁體橋氣隙徑向磁密波形圖

圖8 內(nèi)置圓弧式永磁體橋氣隙徑向磁密波形圖

圖9 內(nèi)置直角式永磁體橋氣隙磁密諧波對(duì)比圖

圖10 內(nèi)置圓弧式永磁體橋氣隙磁密諧波對(duì)比圖

表3 充磁方向Δθ對(duì)氣隙磁密諧波畸變率的影響

內(nèi)置直角式永磁體橋的充磁角度Δθ=45°時(shí)基波最大，Δθ=30°時(shí)基波最小，其中 8 次，12 次，28 次諧波含量較高。

內(nèi)置圓弧式永磁體橋的充磁角度Δθ=45°時(shí)基波最大，Δθ=90°時(shí)基波最小，其中 12次，16次，28次諧波幅值較大。

從以上研究可知，相較于表貼式永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)，內(nèi)置直角式和內(nèi)置圓弧式永磁體橋結(jié)構(gòu)，在同一充磁角度下，除90°充磁角度外，其他充磁角度下，都是內(nèi)置圓弧式永磁體橋相比內(nèi)置直角式永磁體橋結(jié)構(gòu)諧波更小，諧波畸變率更小。從表3可以看出，同一結(jié)構(gòu)下又以45°充磁角度諧波較小，諧波畸變率較小。

綜上可知，內(nèi)置圓弧式永磁體橋在45°充磁角度下具有最大的基波，最小的諧波和諧波畸變率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了一種新型表貼－內(nèi)置永磁體橋混合結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)。通過(guò)有限元在同一充磁角度下的不同結(jié)構(gòu)和同一結(jié)構(gòu)下的不同充磁角度對(duì)其進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)置圓弧式永磁體橋結(jié)構(gòu)電機(jī)在45°充磁角度下，可以提高氣隙磁密的基波幅值，降低高次諧波，氣隙磁密波形更具正弦性，諧波畸變率最小，數(shù)值為11．02%，對(duì)提高永磁同步運(yùn)行效率和降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有一定的借鑒意義。