新型軸向磁場磁通切換型永磁電機外圍漏磁有限元處理方法

    張磊，林明耀，李鑫

    (東南人學，江蘇南京210096)

    摘要：針對軸向磁場磁通切換型永磁電機，提出了一種電機外圍漏磁有限元處理方法——能量法，即電機有限元模型外圍模擬空氣環境的虛擬空氣罩尺寸的確定方法。不同虛擬空氣罩尺寸下，工作氣隙永磁融通幅值計算結果的變化趨勢說明了該方法的可行性。研究表明，使用該方法可以在計算時間和精度之間實現****化，該方法同樣可以推廣到雙凸極電機等定子永磁型電機的有限元分析

    關鍵詞：外圍漏磁；能量法；虛擬空氣罩；永磁電機；有限元仿真

O引  言

    傳統的永磁電機將永磁體放置在轉子上，為防止電機高速運行時永磁體受到離心力作用而被甩落，通常在轉子上安裝不銹鋼或非金屬纖維材料制成的固定套，但這會導致轉子散熱困難。過高的溫升會使永磁體發生不可逆退磁，限制電機出力，減小電機輸出功率。近年來，以新型雙凸極永磁(以下簡稱DsPM)電機和磁通切換型永磁(以下簡稱FsPM)電機為代表的定予永磁電機可以較好地解決上述問題。圖l為一臺三相12／10極徑向磁場磁通切換型永磁(以下簡稱RFFsPM)電機截面圖，該電機通過定、轉子相對位置的變化，引起電機內磁路改變，從而使得電機內的電磁場發生變化，以實現電機的電動或發電運行。但是由于將永磁體置于定子中，電機外圍漏磁將導致感應電勢幅值的有限元計算結果大于實測值。為了使有限元計算結果更接近實際情況，建模過程中，應該計及電機外圍漏磁的影響，習慣的做法是在電機有限元模型外圍加上模擬空氣環境的虛擬空氣罩，然而附加的虛擬空氣罩在剖分、求解及數據后處理過程中都會增加工作量，延長求解時間。因此，確定空氣罩的尺寸，在計算時間和求解精度之間達到****化，不僅具有重要的理論意義，也具有很好的應用價值。

    目前，有限元建模時，在電機外圍加模擬空氣環境的虛擬空氣罩的做法已被廣泛采用，但有關確定其尺寸的方法尚未見諸文獻。本文以一臺三相12／10極軸向磁場磁通切換型永磁(以下簡稱AFF—sPM)電機為例，基于全場域三維有限元分析方法，提出了一種在有限元程序中容易實現的電機外圍模擬空氣環境的虛擬空氣罩尺寸確定方法——能量法，分析了不同虛擬空氣罩尺寸對該電機工作氣隙永磁磁通幅值計算結果的影響。最后，運用此法對一臺三相12／10極RFFsPM電機有限元模型中電機外圍的虛擬空氣罩尺寸進行分析，說明提出的方法對二維有限元仿真分析同樣適用。

1能量法

1．1仿真模型

    本文所研究的能量為電機有限元模型中所有單

元磁共能之和。每個單元的磁共能為：

式中：B為磁密矢量；H為磁場強度矢量；H為磁矯頑力。在AFFsPM電機中，磁位矢量z受如下方程組約束：

 

式中：J為電流密度矢量；μ為磁導率；

這樣，磁場儲能在源區可以表示為：

    所研究的AFFsPM電機由兩個相同結構的外定子和一個內轉子組成。凸極定子由u形定子鐵心、****磁鐵、電樞繞組組成，永磁體放置在兩個u形鐵心之間，電樞繞組為集中繞組；轉子為凸極鐵心，其上既無永磁體也沒有繞組，結構簡單。圖2為該電機的平面展開圖。該電機的工作機理可以簡單描述為：定、轉子相對位置變化，引起電機內磁路改變，進而使得每個電樞繞組所匝鏈的永磁磁通發生交變，即磁通的方向從定子進入轉子到從轉子進入定子，大小在****值和最小值之間周期性變化。根據法拉第電磁感應定律，每個電樞繞組兩端的導體中就會產生幅值和相位交變的感應電動勢，當電樞繞組與負載相聯，就可輸出交流電流，即實現電機的發電運行。根據電機可逆原理，該電機也可作為電動機運行。

AFFsPM電機的磁場呈三維非線性分布，難以將其簡化成二維場進行分析計算。在其三維有限元模型中，通過在電機徑向外圍和內側加模擬空氣環境的虛擬空氣罩，來計及徑向外圍和內側漏磁對計算結果的影響。考慮到軸向外圍漏磁，在電