切向永磁电机转子整体斜极方法及其对转矩脉动的影响

2020-08-05唐宁

柴油机设计与制造 2020年1期

唐宁

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 200210)

0 引言

内置式永磁电机磁路结构主要包括3种，分别是径向结构、切向结构及混合磁路结构，其具有转矩大、功率密度高、弱磁范围广等优点。而切向结构相比于径向结构而言，因其1个极距下的磁通由2块永磁体并联提供，可进一步提高气隙磁密，尤其在极数较多的情况下更为突出；但切向结构相比于径向结构漏磁较多，谐波含量更为丰富，转矩脉动也较大[1-4]。

永磁电机转矩脉动的来源主要有2个方面，一是定子开槽引起的齿槽转矩，另一个是定子磁动势与转子磁动势相互作用产生的纹波转矩。传统削弱磁槽转矩的方法较多，如辅助槽、不等厚永磁体、定子斜槽、转子分段错位、转子极弧系数优化等方法。削弱纹波转矩主要措施是从谐波削弱、谐波抵消等方面着手，如斜极、正弦化转子设计等。

本文针对切向结构永磁无刷直流电机，采用转子分片结构来抑制永磁体的漏磁，对转子磁极进行整体偏移来削弱电机转矩脉动。以有限元分析软件为工具，分析了转子分片对漏磁的影响，以及转子斜极方法对电机气隙磁密和转矩脉动的影响。

1 方案设计

本文以1台三相6槽4极的内置切向式永磁电机为例，研究方案设计。该电机的主要指标参数见表1。

表1 永磁电机主要指标参数

为减小漏磁，本文所设计的电机将原本切向结构的磁桥部分断开，因此转子周向分为4片。为探讨切向结构永磁电机的整体斜极方式对电机本体电磁性能的影响，在已有对称切向结构的基础上，对永磁体进行整体斜极，其结果如图1所示。

图1 整体斜极示意

为削弱瞬时转矩中的主要次谐波分量，用斜极的方式来减弱或抵消转矩脉动中6的倍数次谐波量。如图1所示，对于2对极永磁转子，其中一对极沿其中心线往左(或右)倾斜θ角度，另一对极沿其中心线往右(或左)倾斜相同角度。

2 性能分析

电机在未斜极之前的所有结构参数均通过遗传优化算法进行筛选过，对称结构的电机转矩脉动、齿槽转矩及效率性能已得到优化，故本文仅研究斜极倾斜角度对电机各种性能的影响。

为寻求较优的斜极角，以相同输入条件下的电磁转矩和转矩脉动为依据，改变不同的斜极角度θ，求解相对应的转矩与转矩脉动。如图2所示，在图示范围内随着斜极角的增大，转矩脉动呈现下降趋势。本文采用分片式切向转子结构，相对于对称结构，斜极后的转子，其1个q轴下的区域面积增加，1个q轴下的区域面积减少，因此斜极角度不宜过大。综合考虑电磁转矩与转矩脉动，此处选取斜极角度为10°。

图2 不同斜极角下的转矩与转矩脉动

整体斜极后，由于每对极倾斜方向不一样，其对应的极弧宽度也不一样。因此，不同极弧下的气隙磁密也应有所差别，如图3～4所示。

图3 开路磁链

如图4所示，q轴区域较小的极弧与q轴区域较大的极弧极性相同，但是前者气隙磁密值高于对称结构转子，后者气隙磁密值低于对称结构转子。另外2个极弧下的气隙磁密值极弧等于原对称结构，仅是波形相位有所偏移。

图4 开路气隙径向磁密

整体切向斜极结构拥有不等的极弧，但其每相绕组所匝链的磁通是一样的，三相反电势也是完全对称的，理论来说不会产生不平衡磁拉力。从图5～6可见，斜极结构能够抑制反电势中的5次谐波、7次谐波，而这2种谐波正是关联永磁转矩中的6次谐波分量。因此，可预见采用斜极结构后的电机电磁转矩6次谐波分量将会大大减小。

图5 反电势

图6 反电势谐波对比

为了证明斜极结构能降低电机的转矩脉动，需要保证其与对称结构输入完全相同。二者的瞬时电磁转矩波形及对应的谐波分解如图7～8所示。传统对称结构电磁转矩平均值约0.96 Nm，转矩脉动约12.34%；而斜极结构电磁转矩平均值约0.93 Nm，转矩脉动约6.63%。相比对称结构，斜极结构电磁转矩降低约3.1%，原因是切向结构整体斜极后有一对极下的q轴区域减少，导致定子齿靴的漏磁增加，使有效磁通减少，故电磁转矩下降；而斜极结构的转矩脉动下降约46.3%，原因显而易见，如图8所示。