表面-内置式永磁同步电机优化设计

赵素珍,司纪凯,封海潮,张新良,封孝辉

(1.河南理工大学,焦作454003;2.华北科技学院,北京101601)

0 引 言

表面-内置式永磁同步电机(以下简称SIPMSM),综合了表面式和内置式永磁电机的优点,减小漏磁,省去隔磁桥,提高机械强度,拥有较高的过载能力。然而在SIPMSM中,永磁体与有槽电枢铁心相互作用产生齿槽转矩,进而产生振动和噪声。因此对于齿槽转矩的研究一直都很受关注[1-3]。文献[4]采用解析法与有限元法相结合的方法研究槽口宽度对内置式永磁电机齿槽转矩的影响。先确定对齿槽转矩有影响的气隙磁导平方的傅里叶分解次数,再计算槽口宽度变化对气隙磁导平方的傅里叶分解次数的影响,最终确定最佳槽口宽度。该方法既确保了结果的准确性,又减少了计算时间。文献[5]基于单个槽口和一个磁极中心产生的齿槽拉力的移相叠加模型,采用有限元分析永磁电机的齿槽转矩与槽口宽度的关系。在特定槽口宽度下叠加的转矩会互相抵消并发生周期畸变的情况,这样能使转矩最小化。文献[6-9]提出了采用磁极形状、极弧系数组合、等半径磁极、静态偏心、极数和槽数配合等方法减小齿槽转矩。文献[10]具体分析了定子开焊槽对永磁电机空载反电势的影响,并研究了焊槽的不同位置对反电势的影响,提出优化焊槽尺寸和选择合理的焊槽数量的方案。本文对SIPMSM进行优化设计,通过改变定子槽型削弱齿槽转矩、降低转矩波动、降低空载反电势谐波含量,提高电机的工作性能。通过有限元仿真,验证该优化设计的合理性和正确性。

1 SIPMSM的结构及参数

SIPMSM采用表面-内置式永磁转子结构,表面式永磁体具有引导磁通和聚磁的效果,使得该电机漏磁少,内置式永磁体周围无漏磁磁通,表面式永磁体与转子铁心之间有少量漏磁,又由于表面式永磁体与内置式永磁体形成磁路上的串联关系,因此SIPMSM有效磁通较高。SIPMSM结构如图1所示,主要参数如表1所示。

表1 SIPMSM参数

2 有限元仿真

2.1 有限元模型

SIPMSM有限元仿真模型如图2所示。

图2 SIPMSM有限元仿真模型

2.2 SIPMSM仿真结果

通过仿真可得SIPMSM额定状态转矩如图3所示。一个齿距上的齿槽转矩如图4所示,空载反电势如图5所示。

图3 SIPMSM额定状态转矩

图4 SIPMSM齿槽转矩

图5 SIPMSM空载反电势及频谱分析

由图3可知,SIPMSM平均转矩为43.46 N·m,转矩波动为12.05%。由图4可知,SIPMSM的齿槽转矩的峰值为2.7 N·m。由图5可知,SIPMSM空载反电势基波分量有效值为189.15 V,谐波含量为32.37%。

由以上计算结果可知,SIPMSM转矩波动大、齿槽转矩大、空载反电势谐波含量大,因此需要对SIPMSM的定子槽型进行优化。

3 SIPMSM定子槽型优化

影响永磁电机的输出性能有两种转矩:一种是由定子磁动势谐波与转子磁场谐波相互作用产生的纹波转矩;另一种是由于永磁体与定子齿之间相互作用力产生的齿槽转矩。所以只要削弱齿槽转矩就可以改变SIPMSM的特性。因为齿槽转矩是永磁体与定子齿之间的静态力,所以本文采用闭口槽代替半闭口槽可有效减小齿槽转矩。现在采用闭口槽也很方便嵌线,目前有一种加工工艺是将定子做成两个部分,一部分为定子轭,另一部分为定子齿。先在定子齿部分绕好线,然后再与定子轭直接扣接起来,方便嵌线。闭口槽型如图6所示。

图6 SIPMSM定子槽型

为了对比分析不同槽口型的不同槽口拱高变化对SIPMSM的影响,使用有限元法仿真计算了SIPMSM不同槽口拱高时,SIPMSM的齿槽转矩、平均转矩、反电动势。表2和表3分别为尖口型闭口槽和平口型闭口槽的齿槽转矩,并分别与半闭口槽的齿槽转矩进行对比。

表2 SIPMSM尖口型闭口槽齿槽转矩

表3 SIPMSM平口型闭口槽齿槽转矩

由表2可知,尖口型闭口槽随着槽口拱高的增加,齿槽转矩峰值随之减小,相对齿槽转矩下降逐渐增大。由表3可知,平口型闭口槽随着槽口拱高的增加,齿槽转矩峰值随之减小,相对齿槽转矩下降逐渐增大。对比表2和表3可知,尖口型闭口槽和平口型闭口槽在拱高为0.4 mm时,尖口型闭口槽齿槽转矩峰值比平口型闭口槽的小0.28 N·m,相对齿槽转矩下降比平口型闭口槽下降10.37%,优化效果更突出。对于表2和表3中,个别不符合整体减小趋势的齿槽转矩峰值可以考虑忽略。

SIPMSM尖口型闭口槽和平口型闭口槽的平均转矩和转矩波动以及各自和半闭口槽的平均转矩和转矩波动对比,分别如表4和表5所示。

表4 SIPMSM尖口型闭口槽转矩

表5 SIPMSM平口型闭口槽转矩

由表4可知,尖口型闭口槽随着槽口拱高的增加,平均转矩和转矩波动随之减小,相对转矩和相对转矩波动逐渐增加。当尖口型槽口拱高为0时,平均转矩下降的幅度最小和转矩波动下降最多。由表5可知,平口型闭口槽随着槽口拱高的增加,平均转矩和转矩波动是减小的,相对转矩和相对转矩波动是逐渐增加的。综合平均转矩和转矩波动考虑,当平口型槽口拱高为0.3 mm时的效果是最好的。对比表4和表5可知,对于同样的槽口拱高,尖口型闭口槽的转矩波动要比平口型闭口槽小,但平均转矩比平口型闭口槽大。对于表4和表5中,有个别转矩波动不符合减小的趋势是因为它们的齿槽转矩大小不同引起的。

SIPMSM三种槽型的齿部磁密如图7所示,其中图7(a)是半闭口槽齿部磁密,图7(b)是尖口型闭口槽齿部磁密,图7(c)是平口型闭口槽齿部磁密。

图7 SIPMSM三种槽型的齿部磁密

由图7可知,半闭口槽齿部磁密很小,几乎没有漏磁。尖口型闭口槽和平口型闭口槽的齿部磁密都比较大,尤其是槽口拱高处的磁密。尖口型闭口槽和平口型闭口槽漏磁较多,导致平均转矩降低。这就是尖口型闭口槽和平口型闭口槽平均转矩减小的原因。虽然平均转矩有所降低,但转矩下降的比率较小,而转矩波动下降的比率较大。比如当采用尖口型闭口槽拱高为0时,平均转矩下降0.07%,转矩波动下降14.36%。因此本文采用闭口槽可以改善SIPMSM的性能。

SIPMSM尖口型闭口槽、平口型闭口槽和半闭口槽的空载反电势基波有效值及谐波含量对比分别如表6和表7所示。

表6 SIPMSM尖口型闭口槽空载反电势

表7 SIPMSM平口型闭口槽空载反电势

由表6可知,尖口型闭口槽随着槽口拱高的增加,空载反电势基波有效值随之减小,谐波含量基本不变。由表7可知,平口型闭口槽随着槽口拱高的增加,空载反电势基波有效值随之减小,谐波含量基本不变。对比表6和表7可知,两种槽型与半闭口槽空载反电势基波有效值相比差别不大,但谐波含量有所下降,尖口型闭口槽谐波含量减小比平口型闭口槽明显。当拱高为0.5 mm时,尖口型闭口槽相对谐波含量下降比平口型闭口槽大5.31%。

4 结 语

本文采用有限元法计算了不同定子槽型的不同拱高对SIPMSM齿槽转矩、转矩波动和空载反电势的影响,对比分析优化前的结果得出以下结论:

(1)在削弱齿槽转矩时,采用拱高都为0.8 mm的尖口型闭口槽和平口型闭口槽的优化效果是相同的,齿槽转矩峰值都为0.23 N·m,齿槽转矩峰值都降低了91.48%,因此两种槽型都可以采用。

(2)在降低转矩波动时,综合考虑平均转矩和转矩波动两项指标,拱高为0时的尖口型闭口槽优化效果最好,平均转矩为43.43 N·m,转矩波动下降14.36%。拱高为0.3 mm的平口型槽口时的效果是最好的,平均转矩为41.71 N·m,转矩波动下降10.09%。因此采用拱高为0时的尖口型闭口槽。

(3)在优化空载反电势时,综合考虑空载反电势基波有效值和谐波含量两项指标,拱高为0.1 mm的尖口型闭口槽优化效果最好,空载反电势基波有效值为189.63 V,谐波含量下降12.49%;拱高为0.1 mm的平口型闭口槽优化效果最好,空载反电势基波有效值为187.53 V,谐波含量下降10.07%。因此采用拱高为0.1 mm的尖口型闭口槽。

综合不同定子槽型的不同拱高对SIPMSM齿槽转矩、转矩波动和空载反电势的影响,平口型闭口槽没有尖口型闭口槽优化效果好,而拱高为0.2 mm的尖口型闭口槽优化效果最好,因此本文最终采用拱高为0.2 mm的尖口型闭口槽。

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