韋立學，陳世元，郭建龍(華南理工大學電力學院，廣州510640)
摘要：提出了一種新型結構的輪轂外轉子雙凸極永磁電機(DsPM電動機)，并以5 kw電動機為例給出了其基本尺寸方案。基于Vc++開發的有限元程序對電機空載、負載時的磁場和氣隙磁密分布進行了深入的分析計算。分析了永磁體磁場和電樞磁場之間的相互耦合作用對氣隙磁密的影響，所得結果為該電動機的設計、性能分析以及運行控制提供了依據。
關鍵詞：雙凸極；永磁電動機；輪轂電動機；有限元法
0 引 言
雙凸極永磁電機(Doubly salient PennanentMagnet M0tor，簡稱DsPM)是在開關磁阻電機(sRM)基礎上于90年代初發展起來的一種新型高效電機，同sR電機一樣具有結構簡單、牢固、容錯能力強等優點，且具有比sR電機更高的效率。雙凸極電機的結構與開關磁阻電機十分類似，呈雙凸極，但在定子(或轉子)內嵌有高性能永磁體。DsPM電磁原理和結構相當簡單，但磁路周期性變化并存在嚴重的局部飽和，采用傳統的等效磁路方法分析會帶來較大的誤差。為保證計算的準確，一般采用有限元法對電機電磁場進行數值計算。文中使用自編有限元程序對一種外轉子8／12極雙凸極永磁輪轂電機進行了二維有限元分析。
1 電機結構
根據桑塔那2000時代超人汽車的后輪輪轂的結構和尺寸大小確定本文電機的結構和尺寸如表1所示。電機結構如圖l所示。定子為12極，轉子為8極。定子空間相對的4個極串聯的繞組為一相。圖中只標出A相繞組(陰影部)。在該電機的定子上放有4塊永磁鐵。永磁鐵采用燒結釹鐵硼280／135，電阻率為150μΩ·cm，磁鐵剩磁磁密為1．18 T，磁鐵矯頑力為1 350 kA／m。硅鋼片采用冷軋無取向Dw540150(通過文獻[1]可以得到永磁鐵的退磁曲線和硅鋼片的直流磁化曲線)。每相繞組串聯匝數為20匝，每相繞組電阻為2．0 Ω。定子固定軸采用磁導率非常低的材料做成，磁導率接近空氣磁導率。
根據DSPM的結構和尺寸，電磁參數如下：額定相電壓u=240 V，額定線電流，=12 A，額定功率P=5 kW，額定轉矩T=12 N·m，額定轉速n=4 000 r／mln．
2有限元分析
2．1基本假設根據雙凸極永磁電機特點做如下假設：①不考慮鐵磁材料的鐵心損耗；②電機軸向為無限長，忽略邊緣效應；③電機外緣漏磁場忽略不計；④忽略位移電流。
2．2 電磁場分析的數學模型和邊界條件電機求解區域
如圖l所示。在求解區域內向量磁位A滿足二維非線性泊松方程式中：v為磁阻率，J為電流密度。
空載時電機電樞繞組不通電，電機磁場是由****磁鋼建立的。把****磁鋼等效為面電流密度Jpm表示，所以J=Jpm負載時電機磁場由永磁磁場和電樞磁場共同建立，此時J=Jpm+JC(JC為電樞繞組的電流密度)。電樞磁場單獨作用時，整個電機磁場完全由電樞繞組產生，J=JC在分析中，載荷時電流密度取A／mm。。在電機外轉子外邊界上向量磁位滿足A=O的邊界條件。
2．3網格剖分
本文采用Matlab對電機模型進行剖分。為了便于說明轉子位置，定義轉子槽中心線與定子槽中心線重合的位置為O°。為求得完整的靜態特性，需計算一個轉子齒距，即O°～45°范圍內不同轉子位置的磁場，故要多次剖分。為減少計算量，本文每隔5°剖分一次。剖分前首先把材料屬性和單元類型分配給幾何模型中對應的各個區域，然后對模型進行網格剖分。電機整體剖分圖如圖3所示。Matlab把剖分所得到的結果分別存在p、e、t三個矩陣中，形成三個M文件。利用Matlab對電機進行剖分，不但剖分質量好，而且還可以減少程序開發的時間。
2．4有限元計算
現在市面上雖然有很多有限元計算的軟件，如：Ansys、Ansoft Maxwell等，但是后處理的能力有限。所以計算和后處理部分采用自編的Vc++程序進行。實現方法是把剖分所形成的三個M文件移植到VC++有限元計算程序中進行計算和后處理。圖3為有限元計算程序的流程圖。
根據以上程序框圖所實現的程序，初取電樞電流Ia=12 A，負載轉矩TL=11．8 N·m，轉速n=4 000 r／min，相電壓μ=240 V，飽和迭代步長取0．75，外二層迭代步長取為0．85，飽和迭代誤差取為O．001，外二層迭代精度都取為O．02。
這樣通過程序的三層迭代調整計算，最后三層同時滿足迭代精度時從里到外各層的迭代次數依次為8、l、57，共耗時14小時左右(計算時采用的是周期邊界條件而不是整個圓截面。若用后者，三層迭代各進行一次都要用7小時左右，若要讓程序三層迭代完全滿足精度自動退出，在普通計算機上是無法實現的)。核算完成后得到以下參數值如表2。
2．5結果分析
在二維場中磁力線就是等A線。圖4、圖5、圖6是轉子在0°時的磁場圖。圖4為磁鋼單獨作用時的場圖。圖5為電樞電流單獨作用時的場圖。
圖6為磁鋼和電樞電流共同作用時的場圖。由這3個圖中可以看到電機在實際工作中的氣隙磁場主要是由磁鋼所產生的。圖7為轉子逆時針方向旋轉10。時的場圖。圖8為轉子逆時針方向旋轉10°時的氣隙中心線的磁密分布圖。從圖6、圖7和圖8中可以得到，當繞組中通過電流時，繞組電流產生的磁場和永磁磁場合成的結果是使永磁體的一邊的磁場增強，另一邊的磁場減弱，增強和減弱取決于繞組電流的方向。所以繞組電流作用的結果，使轉子向磁場增強的方向轉動，隨著轉子的轉動，對三相繞組通入一定規律的電流，就能使電機連續的轉動。由此還可以看出，電樞磁場不改變永磁磁場的大小，只是改變了永磁磁場的流向。
3結語
本文給出了一種新型外轉子雙凸極永磁電機的結構和尺寸。在Vcc++軟件平臺上開發了一套對該種電機進行有限元計算分析的程序。從場的角度分析永磁體磁場和電樞磁場之間的相互耦合作用對氣隙磁場的影響，直觀論證得出了電機運轉的基本機理。所得結果在結構和電機運行原理上都是對汽車用輪轂電機的一種新的探索，同時也為該電機運行原理的進一步分析和電機的設計開發提供了一個平臺，可以作為進一步工作的依據。
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