何晶, 范宏宇, 王晨

(安徽機電職業(yè)技術(shù)學院a.信息工程系;b.電氣工程系, 安徽蕪湖241000)

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基于Ansoft的內(nèi)置式“一”型永磁同步電機的優(yōu)化設(shè)計

何晶a, 范宏宇a, 王晨b

(安徽機電職業(yè)技術(shù)學院a.信息工程系;b.電氣工程系, 安徽蕪湖241000)

設(shè)計一臺電動汽車用12槽8極永磁體“一”型內(nèi)置式永磁同步電機，研究該類電機齒槽轉(zhuǎn)矩、空載反電勢產(chǎn)生的機理，分析隔磁橋尺寸、永磁體嵌入深度及永磁體厚度等參數(shù)對電機齒槽轉(zhuǎn)矩、空載反電勢的影響?；谟邢拊治鲕浖嗀nsoft，以減小齒槽轉(zhuǎn)矩、提高空載反電勢、提高電機出力、降低噪聲為目的，對該電機進行優(yōu)化分析。仿真結(jié)果表明，當永磁體厚度為5.5 mm、隔磁橋?qū)挾葹?.5 mm、永磁體嵌入深度為14 mm時，電機的齒槽轉(zhuǎn)矩最小、空載反電勢正弦性較高、幅值較大，運行性能最優(yōu)。研究成果為該類電機在電動汽車的應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。

內(nèi)置式永磁同步電機；有限元分析；齒槽轉(zhuǎn)矩；空載反電勢

引言

永磁電機由于其高功率密度、高效率以及良好的動態(tài)響應(yīng)能力，越來越多地受到電動汽車、航天航空、工業(yè)應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者專家的關(guān)注。較表面式永磁電機來說，內(nèi)置式永磁電機具有功率密度大、弱磁調(diào)速范圍廣、機械強度高等優(yōu)點。與此同時，內(nèi)置式永磁電機的高脈動轉(zhuǎn)矩會引起振動與噪聲，進而影響電機的壽命[1-2]。內(nèi)置式永磁電機的定子結(jié)構(gòu)與普通的異步電機相同，由于永磁體的存在，其轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)較為復雜，轉(zhuǎn)子永磁體及隔磁橋的尺寸對電機的電磁性能影響較大，為了保證電機的電磁性能，相關(guān)專家學者對內(nèi)置式永磁電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析[3]。

文獻[4]綜合考慮電機的電磁性能與機械強度，優(yōu)化了內(nèi)置式永磁電機的隔磁橋厚度；文獻[5]針對電動車的復雜工況，設(shè)計一臺內(nèi)置式永磁無刷直流電機，對其氣隙尺寸、永磁體厚度進行優(yōu)化分析，為其應(yīng)用在電動汽車領(lǐng)域奠定了一定的基礎(chǔ)；文獻[6]提出了一種提高內(nèi)置式永磁電機功率因數(shù)和效率的可靠方法，為其工程實踐提供了基礎(chǔ)。

本文在綜合考慮電磁性能及動態(tài)性能的條件下，設(shè)計一款20 kW 12槽8極永磁體“一”型內(nèi)置式永磁電機，綜合考慮電機的電磁性能，以減小電機的齒槽轉(zhuǎn)矩、提高空載感應(yīng)電勢為目標，利用有限元分析法對電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析，為其應(yīng)用在電動汽車領(lǐng)域奠定一定的基礎(chǔ)。

1齒槽轉(zhuǎn)矩

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機空載運行時，轉(zhuǎn)子永磁體與電樞齒之間相互作用產(chǎn)生的切向分量引起的轉(zhuǎn)矩[3]。其本質(zhì)可表示為氣隙中磁場能量W與相對位置角α的導數(shù)，即：

(1)

對于內(nèi)置式永磁電機，永磁體置于電機轉(zhuǎn)子內(nèi)部，其能量可認為近似不變，則電機氣隙內(nèi)的能量可表示為：

(2)

對式(2)，利用傅立葉分析的方法，對氣隙磁導以及i氣隙磁密的平方進行變換，得到齒槽轉(zhuǎn)矩的解析表示式，即：

(3)

式中：z為定子槽數(shù)；L為電機軸向長度；R1和 R2為氣隙的內(nèi)半徑和外半徑；μ0為真空磁導率；GnNp為相對氣隙磁導平方的傅里葉分解系數(shù)；Br為永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密平方的傅里葉分解系數(shù)。

由式(3)可知，削弱內(nèi)置式永磁電機的齒槽轉(zhuǎn)矩可通過兩種方法實現(xiàn)：一是改變永磁體的氣隙磁密；其二是改變相對氣隙磁導。

2空載反電勢

空載反電勢E0是指永磁電機在電樞繞組不通電的情況下，永磁體產(chǎn)生的磁動勢在定子繞組中感應(yīng)電壓的大小。即：

(4)

E0是永磁電機的一個重要參數(shù)，其大小影響永磁電機的運行特性及效率，適當?shù)靥岣呖蛰d反電勢可提高電機的功率因數(shù)、減小電機的銅損耗、提高電機的運行性能。

有研究表明[7]：當空載反電勢的大小接近并小于額定的相電壓大小時，電機工作在最優(yōu)狀態(tài)。而空載反電勢的大小可通過調(diào)節(jié)永磁體的尺寸和每相繞組的串聯(lián)匝數(shù)來實現(xiàn)。

3有限元初始模型建立

采用有限元分析軟件Ansoft建立內(nèi)置式永磁電機的初始模型，電機永磁體采用內(nèi)置式“一”型結(jié)構(gòu)，永磁體材料采用NdFeB，定子繞組采用雙層繞組，電機的初始尺寸見表1。

表1電機的初始尺寸

通過表1給出的電機具體參數(shù)，利用有限元分析軟件Ansoft，建立該電機的二維有限元分析模型，如圖1所示。對其進行添加激勵源、網(wǎng)格剖分、施加邊界條件，為后續(xù)的優(yōu)化分析奠定基礎(chǔ)。得到電機的空載磁力線分布圖如圖2所示。由圖2可知，電機空載磁力線呈4對極均勻分布，磁力線分布合理。

圖1電機的二維有限元分析模型

圖2電機的空載磁力線分布圖

4轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

以減小電機齒槽轉(zhuǎn)矩、提高電機的功率因數(shù)為目標，對電機轉(zhuǎn)子的主要結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。主要的優(yōu)化參數(shù)分別為永磁體厚度Hm、永磁體的嵌入深度O2以及隔磁橋的寬度Hbi，以此來改善電機的動態(tài)性能，提高電機的出力和效率，其優(yōu)化尺寸的模型如圖3所示。

圖3電機的優(yōu)化參數(shù)

4.1永磁體尺寸優(yōu)化

永磁體尺寸對永磁電機的空載反電勢及齒槽轉(zhuǎn)矩均有影響。而對于內(nèi)置“一”型永磁電機，永磁體的厚度需選取合適，太厚會增大電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生振動與噪聲；太薄會使得空載反電勢過小，影響電機的正常運行，且永磁體會有退磁的風險。

以永磁體厚度Hm為變量，利用有限元軟件分析不同厚度永磁體對空載反電勢及齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，得出空載反電勢及齒槽轉(zhuǎn)矩變化曲線如圖4～圖5所示。

圖4永磁體厚度對E0的影響

圖5齒槽轉(zhuǎn)矩幅值隨永磁體厚度的變化

由圖4與圖5可知，隨著永磁體厚度Hm的增加，空載反電勢及齒槽轉(zhuǎn)矩均呈逐漸增大的趨勢；當永磁體厚度達到5.5 mm后，空載反電勢的幅值接近額定相電壓的幅值，而齒槽轉(zhuǎn)矩仍呈增大的趨勢，綜合考慮電機的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動，選取永磁體厚度為5.5 mm。

4.2隔磁橋尺寸優(yōu)化

相對于表面式永磁電機，內(nèi)置式永磁電機的漏磁現(xiàn)象比較嚴重，為了減小電機的漏磁，內(nèi)置式永磁電機的轉(zhuǎn)子永磁體受隔磁橋的保護。較大尺寸的隔磁橋使其可防止永磁體漏磁，提高電機的效率及電磁性能；與此同時，較大的隔磁橋尺寸影響轉(zhuǎn)子的機械強度，使得電機在高速運行時，產(chǎn)生彎曲變形。兼顧內(nèi)置式永磁電機的電磁性能以及機械強度，利用有限元分析的方法對電機的隔磁橋厚度進行優(yōu)化設(shè)計，得到隔磁橋?qū)蛰d漏磁系數(shù)σ0的影響(表2)，隔磁橋?qū)X槽轉(zhuǎn)矩的影響如圖6所示。

表2隔磁橋?qū)挾葘β┐畔禂?shù)的影響

圖6齒槽轉(zhuǎn)矩隨隔磁橋變化圖

由圖6可知，隨著隔磁橋?qū)挾鹊脑龃?，齒槽轉(zhuǎn)矩增加的幅度并不明顯；由表2 可知，隔磁橋?qū)挾葘蛰d漏磁系數(shù)的影響較大，隨著寬度的增加，其漏磁系數(shù)增大0.5左右，綜合考慮電機的電磁性能和機械強度，選取內(nèi)置式永磁電機的隔磁橋?qū)挾葹?.5 mm。

4.3永磁體嵌入深度的優(yōu)化

得到永磁體的最優(yōu)厚度以及隔磁橋的最佳尺寸，建立優(yōu)化后的電機有限元分析模型。研究永磁體的嵌入深度對電機空載反電勢以及齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，其結(jié)果見表3。

表3嵌入深度對電機性能的影響

由表3可知，隨著永磁體嵌入深度的增大，空載反電勢的幅值呈減小的趨勢，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因在于隨著永磁體嵌入深度的增大，電機的漏磁增大，漏磁的增大使得電機的空載反電勢減小；與空載反電勢相反，齒槽轉(zhuǎn)矩呈增大的趨勢。綜合考慮空載反電勢與齒槽轉(zhuǎn)矩的值，選取永磁體嵌入深度為14 mm，原因在于，隨著永磁體嵌入深度的增加，空載反電勢初始減小的并不明顯，而當深度大于14 mm時，減小了近4 V左右。

5優(yōu)化前后電機性能比較

選取永磁體厚度為5.5 mm、隔磁橋?qū)挾葹?.5 mm、永磁體嵌入深度為14 mm，建立優(yōu)化后的電機有限元分析模型，比較優(yōu)化前后電機的電磁性能，其結(jié)果如圖7所示。

圖7優(yōu)化前后電機性能比較

由圖7可知，優(yōu)化前內(nèi)置式永磁電機的齒槽轉(zhuǎn)矩大約為1.58 N·m，優(yōu)化后齒槽轉(zhuǎn)矩減小為大約1.35 N·m；優(yōu)化前電機的空載反電勢大約為150 V左右，而優(yōu)化后電機的空載反電勢提高至大約178 V，電機的動態(tài)性能得到了明顯的提高。

6結(jié)束語

本文提出并設(shè)計了一種“一”型永磁體內(nèi)置式永磁電機，在分析電機空載反電勢、齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理的基礎(chǔ)上，以空載反電勢與齒槽轉(zhuǎn)矩為目標，優(yōu)化該類電機。分析表明：當該電機的永磁體寬度為5 mm、隔磁橋?qū)挾葹?.5 mm、永磁體嵌入深度為14 mm時，電機達到最優(yōu)性能，為此類電機的優(yōu)化分析奠定了一定的基礎(chǔ)。

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Optimization Design of Interior “—” Type Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Ansoft

HEJinga,FANHongyua,WANGChenb

(a.Department of Information Electrical Engineering; b.Department of Electrical Engineering,Anhui Technological College of Machinery and Electricity Engineering, Wuhu 241000, China)

A 12-solts 8-pole PMSM for hybrid electric vehicles is designed. The producing mechanism of cogging torque and no-load back-electromotive are studied. The effect of the sizes of magnetic bridge and permanent magnets embedded depth for motor electromagnetic properties are analyzed. To reduce the cogging torque and the noise, improve no-load back-electromotive force and the motor output, the Ansoft Analysis Software is used to optimize the analysis of the motor. The results show that when the permanent magnet thickness is 5.5mm, the magnetic bridge width is 4.5mm, and the permanent magnets embedded depth is 14mm, motor performance is optimal. The study lays a foundation of such motors in electric vehicle applications.

interior permanent magnet synchronous motor; finite element analysis; cogging torque; no-load back-electromotive force

2016-05-19

安徽省教育廳科研基金項目(KJ2016A128)

何 晶(1981-),江西南昌人,講師,碩士,主要從事軟件應(yīng)用和開發(fā)方面的研究,(E-mail)ahjdhj@hotmail.com

1673-1549(2016)04-0035-04

10.11863/j.suse.2016.04.08

TM302

A