結構對永磁雙凸極電機性能影響的分析

    孫亞萍¹，閔  瑩²，胡春玉³

(1杭州師范大學錢江學院，杭州310012；2．廣州民航職業技術學院

    廣州510403；3江蘇海事職業技術學院，南京211170)

摘要：通過對永磁雙凸極電機的建模及仿真，分析了電機結構變化對永磁雙凸極電機性能的影響，如：定子磁軛厚度、轉子極弧寬度和轉子斜槽角度；最后分析了齒槽定位力矩的產生，并提出了減小定位力矩的方法。

關鍵詞：永磁電機；雙凸極電機；結構；性能；定位力矩

1結構   

    圖1所示為12／8永磁雙凸極電機截面圖。雙凸極電機在結構上和開關磁阻電機相似，其定轉子均為凸極齒槽結構，由硅鋼片疊壓而成，采用集中繞組。

2 建模及仿真

    根據永磁雙凸極的特點，做如下假設^[1-4]：①忽略電機端部效應，電機磁場沿軸向均勻分布；②鐵芯沖片材料各向同性，且磁化曲線是單值的，即忽略磁滯效應；③電機機殼外部和轉軸磁場忽略不計，即定子外表面圓周和轉子內表面圓周為一零矢量位面；④忽略鐵心的渦流效應。

    永磁雙凸極電機結構參數為：鐵心材料：D41，轉子疊厚：100mm，轉子齒高：20．5mm，轉子外徑：78mm，轉子內徑：58 mm，定子齒高：14．7mm，定子疊厚：100 mm，定子外徑：166mm，定子內徑：150m，永磁厚度：7mm，氣隙：0.8mm，定轉子極弧：30。／30。，永磁體矯頑力：600 kA/m。

  若定義A相定子齒和轉子齒完全重合時為22．5^。，則轉子位置從0^。轉到45^。為一個周期。圖2(a)為B相定子齒與轉子齒重合時永磁電機空載時的1／4磁場分布圖。圖2(b)為無永磁體時永磁電機的1／4電樞反應磁場分布圖。

  雙凸極電機磁路比較復雜，為了便于分析，假設電機大部分磁力走的路線為電機磁路，則定子軛部的磁路類似于一個E形磁路，其中，c相繞組繞在中間鐵心上，A、B相繞組分別繞在兩邊的鐵心上，此時B相電樞電流作為磁勢時產生的磁力線通過A相時的磁路要比c相電樞電流作為磁勢產生的磁力線通過A相時的磁路長，那么相應的磁阻也大，即R_ab|b>R_ac|c。理想情況下，B相電樞繞組電流產生的磁力線全部都通過B、c相之間的定子磁軛，而c相電流產生的磁力線除了通過B、c之間的磁軛，但還有一部分通過A、c之間的磁軛，故φ_bc|b>φ_bc|c，在B、c相定子齒上繞相同匝數的電樞繞組，并且在繞組上通人相同的電流，也即磁勢相同的情況下，根據磁路歐姆定律，那么B、c段定子磁軛的磁阻在B、c相電樞電流分別作為磁勢時大小比較為B相的大于c相，即R_bc|b>R_bc|c。由于兩種情況下的氣隙磁阻相等，故總的磁阻R|b>R|c，所以c相電樞繞組的電感、磁鏈值均大于B相。由于A相和B相靜態特性關于c相定子齒中心線對稱，那么c相電樞繞組的電感、磁鏈值也將大于A相的值。

3結構變化對電機性能影響

3．1定子磁軛變化對電機性能的影響

    永磁雙凸極電機空載時，電樞繞組自感關于轉子位置角的變化曲線如圖3所示。可以看出電機三相很不對稱，其中，c相的電感值要比A、B兩相的電感值大。這主要是由于電機永磁體的磁阻大而造成A、B相電樞電流作為磁勢時的磁路和c相電樞電流作為磁勢時的磁路不同，從而引起電機定子磁軛上磁阻的區別。雙凸極電機的不對性程度也表明了電機定子磁軛的磁阻在總磁阻中所占比例的大小，越不對稱，則磁軛磁阻所占比例越大。當電機定子磁軛加寬，根據磁阻公式R=l/μ.s，如果s增大，那么電機定子磁軛的磁阻也將下降，此時，定子磁軛的磁阻對總磁阻的影響程度就減少了，氣隙磁阻占總磁阻的主要部分，故加寬定子磁軛，雙凸極電機的對稱性相對原來電機模型要好，如圖3(b)和(c)所示。

3．2轉子極弧對電機性能的影響

    為了分析轉子極弧變化對雙凸極電機性能的響，本文對雙凸極電機的轉子極弧加寬1．5^。、3^。、4．5^。機械角度分別進行建模仿真。12／8極永磁雙凸極電機空載，在6 000 r／min轉速下其仿真磁鏈波形如圖4所示。

    整流后輸出電壓的脈動按公式(U_max-U