内置式“一”型永磁同步电动机的转子结构优化

杨国龙，黄开胜，陈文敏，肖庆优，赖文海，蔡黎明

(1.广东工业大学，广州510006;2.东莞电机有限公司，东莞523000)

0 引 言

近年来，空压机在工业上应用广泛，而对高性能驱动电动机的研究也是空压机行业能够取得快速发展的关键因素之一。内置式永磁同步电动机以其体积小、结构简单、高功率密度、高效率以及调速范围更宽等多种优异的性能广泛应用在空压机、电动汽车行业和工业控制等方面［1］。

内置式转子磁路结构可用于实现高速运转电动机。关于转子结构的外形，通过转子外形对比分析，得出转子外形为面包状有利于减少内置式永磁电机磁路的漏磁，有助于提高磁钢利用率，故面包状转子具有明显优势。内置式转子磁路结构的选择，综合分析径向式和切向式两种磁路结构的优缺点，该款电动机采用径向式磁路结构，由于此类结构具有漏磁系数小、铁耗较小、效率比切向结构略高等优点［2］。对于“一”型采取分段式结构，当永磁体分成两段后，使输出的脉动转矩大大减小，同时改变了磁力线路径，若在电枢绕组上通入电流，在永磁体产生的磁力线中，有一部分则直接通过磁极分段之间的铁锲使通过气隙的磁场减弱，从而有助于弱磁调速［3］。因此，本文采用转子外形为面包状的内置式“一”型分段式结构。

已知一款6 极36 槽内置式“一”型永磁同步电机的主要参数，基于Maxwell 2D 有限元仿真，通过对永磁体选择合适的厚度和嵌入深度，从而提高该电动机的功率因数和效率［4］。根据该电机优化后尺寸和参数试制样机，通过电机测试平台，和原电动机进行对比，测得样机的功率因数和效率得到提高。

1 永磁同步电机功率因数提高的分析

在永磁同步电动机中，定子绕组满足的电压平衡方程式:

由式(1)画出永磁同步电动机在不同工作状态下的向量图，如图1 所示。变，同时包含有功电流和滞后的无功电流使功率因数滞后。

通过分析可得出，若对E0进行调节，可以使得曲线I1=f(E0)的形状为V 形，可将其称为在电压不变时永磁同步电动机的V 形曲线，如图2(a)所示。

图1 永磁同步电动机在不同工作状态下的向量图

根据向量图分析可得出，永磁同步电动机可以满足以下关系式:

永磁同步电动机的输入功率:

将式(3)扣除定子绕组损耗也就是包括铁耗和杂散损耗在内的电磁功率，即:

通常定子绕组的电阻较小，忽略其影响，则:

为使分析简便，可以通过假定永磁同步电动机中的交直轴磁阻保持相等，采用隐极同步电动机向量图进行分析。若电动机输出功率保持不变时，忽略不计由U 和E0变化引起附加损耗和定子铁耗的变化，则电动机的电磁功率也保持不变，即:

式中:Xs为同步电抗。

由上式可知，当供电电压U 不变时，若要使电动机的电磁功率保持不变，必须同时满足:

式中:C1，C2均为常数，则其向量图如图2(a)所示。若对E0进行调节，可以看出的端点均保持在平行于的垂线AB 上和的端点总是落在水平线CD 上。因此，通过调节E0，使电动机的功率因数为1 时，则在电枢电流中不含无功电流，全部为有功电流，即电流数值小。若增大功率因数为1 时对应E0值，为了使气隙合成磁通保持不变，同时包含有功电流和超前的无功电流使功率因数超前;若减小功率因数为1 时对应E0值，为了使气隙合成磁通保持不

图2 永磁同步电动机向量图和V 形线

综上所述，可以通过调节空载反电动势E0对永磁同步电动机的功率因数进行调节，使其工作在超前功率因数、单位功率因数或滞后功率因数，适当的提高E0的大小，同时要求E0的数值接近并小于相电压U，使电动机工作在过激去磁状态下，可以采用对永磁体进行调整或者改变每相串联匝数的方法［5］。本文采用的方法是通过改变永磁体的厚度和嵌入深度来提高空载反电动势E0。

2 永磁同步电动机初始方案参数及有限元模型建立

首先给出该电机初始尺寸参数，如表1 所示。

表1 优化前各参数

通过表1 给出的电机各参数，基于有限元分析软件ANSYS/Maxwell 2D 模块，建立该电动机的二维有限元模型，如图3 所示。

图3 电机二维有限元模型

3 转子结构优化

永磁同步电动机的空载反电势E0的大小决定电动机运行在增磁还是去磁状态，对电动机功率因数和效率等动稳态性能的影响也很大，是永磁同步电机非常重要的参数，表达式为:E0=4.44fKdpNφ0，适当提高E0值可以提高电机稳态时的功率因数。若功率因数提高会使定子电流变小，电枢铜耗减小，降低电机温升，从而提高电机效率［6］。因此，可以通过优化永磁体厚度tm、嵌放深度O2，使永磁体材料得到充分利用和空载反电动势E0小于并接近于额定电压，改善电机的性能，优化尺寸模型如图4 所示。

图4 永磁体尺寸及嵌入深度尺寸

3.1 永磁体厚度tm 优化

首先对于永磁体结构选择，该款电机将磁路结构为“一”型永磁体分成两段，单块永磁体宽度bm为35 mm，永磁体厚度tm不能太薄，否则会使永磁体较容易退磁，影响电动机的正常运行。利用Maxwell 有限元分析软件，分析永磁体不同厚度时反电动势的变化情况，将tm设为变量进行扫描，找出最佳永磁体厚度，得出反电动势随tm变化的曲线，如图5 所示。记录永磁体不同厚度的反电动势的值(如表2 所示)，仿真结果如下。

图5 优化永磁体厚度tm 时的反电势曲线

表2 优化永磁体厚度tm 时的反电势值

由表2 可得，随着tm增加，反电动势E0也随着增大。当tm=9 mm，反电动势E0已接近峰值，再增加tm值，效果已经不明显，故将tm取值9 mm。

3.2 永磁体嵌入深度O2 优化

在得到最佳永磁体厚度的基础上，通过已经建立该款电机的有限元模型，将永磁体嵌入深度O2设为变量进行扫描，找出永磁体最优嵌入深度，得出不同O2时反电动势的曲线(如图6 所示)，并记录不同O2下的反电动势E0值(如表3 所示)，仿真结果如下。

图6 优化永磁体厚度O2 时的反电势曲线

表3 优化永磁体嵌入深度O2 时的反电势值

由于内置的永磁体越贴近转子表面时，漏磁越小，因此，内置式永磁同步电动机的反电动势是随着永磁体嵌入深度的减小而增大的，即永磁体越贴近转子表面，反电势E0越大。由此可知，永磁体的嵌放位置会影响电机性能，在设计电机时，要合理地选择永磁体的嵌入深度O2，考虑电机磁场的饱和，提高电机永磁体的利用率，节省磁钢用量，降低永磁同步电动机的成本［7］。由表3 观察得出，随着永磁体嵌入深度O2的减小，反电动势E0也随着增大，当O2=70 mm，电机反电动势E0已接近峰值，此时考虑转子冲片机械强度，故不采用72 mm。

综上所述，不同的永磁体厚度和嵌入深度对电机的性能有一定的影响，考虑电机成本和工艺要求，利用Maxwell 2D 仿真分析可得:当tm=9 mm，O2=70 mm 时，该电动机的反电动势E0值最好。

4 优化前后电机性能对比

根据已经建立的二维有限元模型，在给定额定负载情况下分别仿真初始尺寸和优化后尺寸的电机瞬时动态性能，最后将该电机优化前后的主要性能指标进行对比，如表4 所示。

表4 电机性能指标对比

由表4 可知，经过优化后的电机，定子绕组相电流减小到39.12 A，铜耗减小了，电机效率得到提高，功率因数提高到0.91，减轻电网无功负荷的负担，因此，经过优化后，该电机的电气性能得到明显改善。

5 样机的试制与验证

根据上述优化后的电机尺寸参数，试制了一款6 极36 槽内置“一”型永磁同步电动机，如图7 所示。

给该电动机施加200 V 相电压，利用电动机的实验平台对样机的性能进行测试，得出实验数据，将测试数据与Maxwell 2D 仿真结果进行对比，如表5所示。

图7 6 极36 槽内置式“一”型永磁同步电动机样机

表5 Maxwell 计算值与样机测试值

从表5 可以看出，利用Maxwell 计算的理论值跟样机测试值进行比较，误差均在5%以内，验证了本优化方案的可靠性。

6 结 语

本文根据一款6 极36 槽内置式“一”型永磁同步电机初始尺寸参数，建立该电机的有限元模型，对该款电机的永磁体厚度和嵌入深度进行优化，选择最优的永磁体厚度和嵌入深度。再根据优化后尺寸参数，试制样机，样机测试值与Maxwell 仿真值的误差在5%以内，在工程允许范围内，通过优化后该电机的空载反电势提高并接近相电压，功率因数和效率都得到了提高。该电机能稳定运行，电气性能良好，同时得到公司肯定和好评。

［1］ 张蔚.内置式永磁同步电动机的设计与分析［D］. 南京:东南大学，2007.

［2］ 赵朝会.径向和切向结构永磁同步发电机的比较研究［J］.大电机技术，2007，(4):4－7.

［3］ 李和明，卢伟甫，王艾萌.基于有限元分析的内置式永磁同步电机转矩特性的优化设计［J］.华北电力大学学报，2009，(5):9－13.

［4］ 陈东锁，卢素华，陈彬.空调压缩机中永磁同步电机的损耗分析［J］.日用电器，2012，(7):41，54－56.

［5］ 王秀和.永磁电机［M］.北京:中国电力出版社，2010.

［6］ 陈俐霞.内置式高效永磁同步电机的设计研究［D］. 哈尔滨:哈尔滨工业大学，2008.

［7］ 王艾萌.内置式永磁同步电动机的优化设计及弱磁控制研究［D］.保定:华北电力大学，2010.