一种新颖反凸极结构永磁同步电动机的设计与分析

郑菲菲，邓先明，李学锋，王珍珍

(中国矿业大学，徐州 221008)



一种新颖反凸极结构永磁同步电动机的设计与分析

郑菲菲，邓先明，李学锋，王珍珍

(中国矿业大学，徐州 221008)

针对具有凸极效应的常规永磁同步电动机的问题，即最大电磁转矩的功角大于90°，在负载运行时永磁体存在较大的退磁危险,提出一种具有反凸极效应的新结构永磁同步电动机，并分别对该永磁同步电动机和传统永磁同步电动机进行了有限元分析，得到了电机的气隙磁密波形和空载反电势波形，并进行了谐波分析，求出了交直轴电感特性和矩角特性曲线。与传统的永磁同步电动机相比，新结构电机不仅永磁体用量减少、气隙磁密波形更接近正弦波，而且具有反凸极特性，减小了电机退磁的危险；并且该电机的最大电磁转矩比传统结构电机提高3.33%，增强了电机的过载能力。

永磁同步电动机；有限元分析；反凸极效应；交直轴电感特性；矩角特性

0 引 言

永磁同步电动机由于其结构简单、效率高、功率密度高等优点，在工业领域得到了广泛的应用与研究，在永磁同步电动机的分析、设计方面，国内外研究人员都做了大量工作并取得了阶段性成果。唐任远教授在电机的磁路结构设计、电机参数研究方面做了大量的工作[1]，为永磁同步电动机的设计和研究奠定了基础；文献[2]定性分析了异步起动永磁同步电动机运行效率随着运行状态的变化规律, 研究了损耗的谐波含量,进而得出了影响永磁电机损耗的主要因素及其在不同运行条件的变化规律,揭示了空间齿谐波磁场对转子损耗的重要影响，为电机的优化设计进而减少谐波、提高运行效率提供了参考；文献[3]用有限元的方法，在设计过程中，通过在内置式永磁同步电动机转子表面适当的位置开凹槽，优化转子结构，并通过实验证明，电机的齿槽转矩大大减小，电机的性能得到提高；文献[4]提出了一种新颖结构的永磁同步电动机,通过改变永磁体分布和转子槽结构，对永磁同步电动机的结构进行了改进，从而更有效利用了永磁体磁场,提高了永磁体的利用率。

鉴于严峻的能源安全形势和永磁电机的性能优势，对永磁电机进行结构研究，研制高效的永磁同步电动机具有重要的意义。与传统的电励磁电机不同，由于稀土永磁体的磁导率近似等于空气磁导率，具有凸极效应的常规永磁同步电动机的直轴磁阻大于交轴磁阻，所以直轴同步电抗小于交轴同步电抗，磁阻转矩分量在功角小于90°时为负值，从而导致电机在负载运行时永磁体存在较大的退磁危险[5]，另外，在负载运行时交轴磁路过饱和，铁损耗大，电机效率不高。由于凸极效应和稀土永磁同步电动机的转子结构有关，所以本文在传统电机模型的基础上从改变永磁同步电动机的转子结构入手，提出一种具有反凸极效应的永磁同步电动机，并用Maxwell 2D软件对此电机进行了仿真分析。

1 反凸极永磁同步电动机的电磁设计

1.1 基本参数设计

永磁电机磁路计算主要包括永磁体尺寸及工作点的确定、电机主要尺寸、槽型、定子绕组的设计和一些电磁参数的计算[6]，若槽型不合适或电负荷不满足等，则需调整永磁体、电机尺寸等，重新设计各项参数，经过多次调整，直到达到设计要求[7]，满足技术经济指标要求。

其中电机的主要尺寸是指定子冲片内径Dil和定子铁心有效长度lef，可借用异步电机主要尺寸关系式来近似推导。电机的基本尺寸数据繁多，不一一罗列，电机的主要参数如表1所示。

表1 电机主要数据

1.2 转子结构的设计

转子结构设计主要包括转子槽形的选择、槽形尺寸的确定[8]、永磁体类型和尺寸的确定等，两种结构转子永磁同步电动机的槽型都为闭口梯形槽，且槽形尺寸相同。为了使电机满足反凸极的电磁特性，须使交轴同步电抗xq小于直轴同步电抗xd，即须满足Lq

以q轴电感为例分析如下：

(1)

式中：Lq为q轴电感；ψq为q轴磁链；iq为折算到q轴的电流；N为经过坐标变换后q轴线圈的有效匝数；Λmq为q轴铁心磁路的磁导；Rmq为q轴铁心磁路的磁阻。

由式(1)可知，在线圈匝数一定的条件下，q轴电感大小与q轴铁心磁路的磁导成正比，与q轴铁心磁路的磁阻成反比。所以为减小q轴电感，使Lq

(a)传统永磁同步电动机结构(b)反凸极永磁同步电动机结构

图1 两种永磁同步电动机结构

由表2可知，反凸极结构永磁同步电动机的转子外径、内径和永磁体厚度和传统结构永磁同步电动机都相同，不同的是传统的永磁同步电动机的内置永磁体按W型分布，为使永磁体产生的气隙磁密波形更接近于正弦波，反凸极结构电机永磁体槽及永磁体为M形排列，位于转子铁心上相对于每个转子直轴线d对称分布，且每极永磁体宽度减小，从而减少了永磁体的用量；转子铁心上沿转轴方向在永磁体槽之间开设的三角形通风孔，不仅增加了交轴磁路的磁阻，使磁路不容易饱和，减少铁损耗，同时还能减小运行时交轴电枢反应对直轴气隙永磁磁场的影响。且通风孔的存在可以提高转子散热性能，降低转子温度，保护永磁体[9]。在三角形通风孔中间放置一根与隔磁磁桥宽度相等的肋条，从而增加电机的机械强度。

2 反凸极永磁同步电动机的有限元分析

利用Maxwell有限元分析软件对传统结构永磁同步电动机及反凸极结构永磁同步电动机的模型进行了有限元分析[10]，得到两种不同转子结构的永磁同步电动机的空载气隙磁密曲线、空载反电势波形、d轴及q轴电感特性[11]和功角特性曲线并进行对比。

2.1 气隙磁密及空载反电势分析

对传统结构永磁同步电动机和反凸极结构永磁同步电动机分别进行了有限元求解，用Ansoft场计算器分别进行了气隙磁密及空载反电势的求解，并对气隙磁密和空载反电势波形进行了傅里叶分析对比。图2(a)为传统结构永磁同步电动机的气隙磁密分布，图2(b)为反凸极结构永磁同步电动机的气隙磁密波形。

(a)传统结构气隙磁密波形(b)反凸极结构气隙磁密波形

图2 两种结构电机的气隙磁密波形

对传统结构电机气隙磁密波形和反凸极结构的气隙磁密波形进行了谐波分析并对比，如图3所示。

图3 两种结构电机气隙磁密谐波分析结果

图4(a)为传统结构永磁同步电动机的空载反电势波形，图4(b)为反凸极结构永磁同步电动机的空载反电势波形。图5为两种结构空载反电动势谐波对比。

(a)传统结构空载反电动势波形(b)反凸极结构空载反电动势波形

图4 两种结构电机空载反电势波形

图5 两种结构电机空载反电动势谐波分析结果

由图3两种结构电机气隙磁密谐波对比和图5两种结构电机空载反电动势谐波对比分析可知，永磁体槽呈M形排列的新型反凸极结构永磁同步电动机的空载反电势和气隙磁密的基波含量都有所增加，5次和7次谐波也有所降低，而3次及9次谐波则可以被定子绕组的Y型联接方式抑制掉。所以新型反凸极结构永磁同步电动机有效地增加了基波含量，减少了谐波成分，以较少的永磁体用量使其气隙磁密波形更接近于正弦波，不仅节约了稀土资源，提高了永磁体的利用率，而且减少了电机的运行损耗，提高了电机效率。

2.2 反凸极永磁同步电动机交直轴电感特性分析

交、直轴电感对于电机运行特性有很大的影响[12-13]，而且电机的反凸极特性表现在参数上，即电机的交直轴电感存在Lq

(2)

(3)

因此，当d轴与A相绕组轴线对齐时，求出此时A相绕组的磁链，就可以求出d轴电感；当q轴与A相绕组轴线对齐时，求出此时A相绕组的磁链，就可以求出q轴电感。图6(a)为传统结构永磁同步电动机的交直轴电感随电流变化的曲线，图6(b)为反凸极结构永磁同步电动机的交直轴电感随电流变化的曲线。

(a)传统结构电机交直轴电感曲线(b)反凸极结构电机交直轴电感曲线

图6 两种结构电机d轴和q轴电感特性

由图6知，传统结构永磁同步电动机的q轴电感大于d轴电感，而且由于q轴磁路饱和，导致d，q轴电感随电流的增加而减小，而其中q轴电感值明显减小。而反凸极结构永磁同步电动机的d轴电感始终大于q轴电感，即具有反凸极特性，这是因为转子铁心上沿转轴方向在永磁体槽之间开设有三角形通风孔，增加了交轴磁路的磁阻，使磁路不易饱和，所以q轴电感比传统结构永磁同步电动机小，而且q轴电感变化较小。

2.3 反凸极永磁同步电动机的矩角特性分析

为了获得同步机的矩角特性，重要的是电磁转矩的求解，通过求解不同功角时对应的电磁转矩值从而获得功角特性。

忽略电枢电阻，凸极同步电机的电磁转矩：

式中：m为相数；E0为空载电动势；U为电源电压;ΩS为同步角速度;δ为功角;Xd,Xq分别为d轴和q轴电抗。

Ansoft中电磁转矩的求解采用虚位移的方法，先求出磁场储能，然后用差商代替微商，通过计算虚位移时磁共能的变化来确定电磁转矩，即：

(6)

通过Maxwell 2D软件求解得到电机的矩角特性，如图7 所示。

图7 两种结构电机的矩角特性

与传统永磁同步电动机的矩角特性不同，反凸极结构电机的最大电磁转矩对应的功角小于90°，从而可知该电机的磁阻转矩分量在功角小于90°时为正值，再次间接说明该电机的d轴电感大于q轴电感，即电机具有反凸极特性。当该电机负载运行时，直轴电枢反应磁场与转子永磁体磁场方向相同，起到助磁作用，因此没有退磁的危险，增加了电机的稳定性。而且，与传统结构的永磁同步电动机相比，反凸极结构永磁同步电动机的永磁体用得少,最大电磁转矩提高了3.33%，不仅提高了永磁体的利用率，而且增加了电机的过载能力。

3 结 语

本文提出一种新颖反凸极结构永磁同步电动机，利用有限元仿真软件Maxwell建立了两种不同转子结构永磁同步电动机的二维模型并进行了仿真分析，得到了电机的空载气隙磁密曲线、空载反电动势曲线、交直轴电感特性曲线和矩角特性曲线，并进行了对比分析。由结果分析可知，与传统的永磁同步电动机相比，该反凸极结构永磁同步电动机不仅减少了永磁体的用量，提高了永磁体的利用率，节约了稀土资源，而且通过改变永磁体分布，该电机的气隙磁密和反电势更接近正弦分布；通过在转子交轴线上开三角形槽，该永磁同步电动机的q轴磁阻大于d轴磁阻，具有反凸极效应，从而减小了电机退磁的危险，增加了电机的稳定性；此外，该反凸极结构电机提高了电机的最大转矩，增加了电机的过载能力。

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Design and Analysis of Permanent Magnet Synchronous Motor with Novel Reverse Salient-Pole Structure

ZHENG Fei-fei，DENG Xian-ming，LI Xue-feng，WANG Zhen-zhen

(China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China)

Considering the problem of the conventional permanent magnet synchronous motor with salient pole effects: torque angle of the largest electromagnetic torque is greater than 90°, and the permanent magnets run the high risk of demagnetization, a novel permanent magnet synchronous motor with reverse salient-pole property was presented. The Finite-element analysis of the novel and the traditional permanent magnet synchronous motor was made. The waveforms of air gap flux density and no-load back EMF and their Fourier analyses were worked out. Thedandqaxis inductance characteristics and torque-angle characteristic curves of both the novel and the traditional one were obtained. Compared with the traditional permanent magnet synchronous motor, the motor not only reduces the consumption of the permanent magnet,but also has waveform of air gap flux density closer to the sine wave. And it has reverse salient-pole characteristic, so as to reduce the risk of motor demagnetization. Also, the biggest electromagnetic torque of the novel motor is 3.33% bigger than that of the traditional one, which can enhance the overload capacity of the motor.

permanent magnet synchronous motor (PMSM); finite element analysis; reverse salient-pole property;dandqaxis inductance characteristics; torque-angle characteristic

潘文贵(1988-)，男,博士研究生，研究方向为航天遥感系统中的高精度控制系统。

2014-07-10

江苏省徐州科技发展基金项目(XG07017)

THM341;TM351

A

1004-7018(2016)02-0012-04