一种优化转子磁路结构对永磁直流无刷电机性能的影响

郗珂庆，胡昊，郭炳岐，高俊丽

（西安航天动力测控技术研究所，陕西 西安 710025）

一种优化转子磁路结构对永磁直流无刷电机性能的影响

郗珂庆，胡昊，郭炳岐，高俊丽

（西安航天动力测控技术研究所，陕西 西安 710025）

永磁直流无刷电机磁路对电机的性能有着重要的影响。本文在通用的电机结构基础上提出了一种新的优化转子磁路的方法，并通过建立磁路模型与仿真分析验证了新方法的有效性。实验证明优化转子磁路结构的方法不仅能有效地提高气隙磁通，增强电机的功率密度，还能降低铁损，提高电机效率，具有重要的现实意义与价值。

永磁直流无刷电机；磁路优化；电机性能

永磁直流无刷电机，相较于机械换相的直流机具有更高的可靠性与工作寿命，相较于电励磁电机具有更高的功率因数和效率，且经过电子控制获得类似直流机的运行特性，因此，在社会生活的方方面面得到了越来越广泛的应用[1]。在永磁直流无刷电机中，永磁体的性能和电机的磁路对电机的性能有着重要的影响[2]。本文在通用的电机结构基础上提出了一种新的优化转子磁路的方法，即，在极弧系数不高的情况下，有效地利用磁钢之间的空隙使得新方法能达到提高工作气隙磁通、降低转子铁损的效果。

1　一种优化的转子磁路结构

本文提出的一种优化的转子磁路结构如图1所示，其中（a）和（b）分别是通用的转子结构及优化的转子结构。由（a）、（b）对比可以看出，当磁钢的包覆系数不大的情况下，优化的转子结构充分地利用了磁钢Ⅰ之间的间隙，即用磁钢Ⅱ填充剩余间隙并改变这些填充磁钢的充磁方向（图中的箭头代表磁钢的充磁方向），以达到优化磁路设计的目的。

图1　 通用的转子结构(a)及优化的转子结构(b)

2　电机磁路模型及优化前后电机性能对比

2.1电机磁路

（1）未改进转子结构的磁路。在通常的永磁直流无刷电机中，电机工作的主要磁路为：磁刚Ⅰ→空气隙→定子→空气隙→相邻的磁刚Ⅰ→转子磁轭→重新回到磁刚Ⅰ，其磁路模型如图2所示。在电机设计中，由于电机的漏磁通常较小。

图2　通用的永磁直流无刷电机磁路模型

在图2，mΦ —磁钢产生的磁通，1Φ—漏磁通，gΦ—气隙磁通，R m—磁钢磁阻，R g—气隙磁阻，R 1—漏磁磁阻，R s—定子磁阻，R r—转子磁阻。由于气隙是电机进行能量交换的主要场所，依据简化的磁路模型及磁路基尔霍夫第二定律可以得出气隙的磁通为：

由上式可以看出，气隙的磁通与磁钢产生的磁通及磁路的磁阻有着密切的关系。

（2）优化转子结构后的磁路。对于优化的转子结构，其主要磁路为：磁刚Ⅰ→空气隙→定子→空气隙→相邻的磁刚Ⅰ→转子磁轭+插入的磁钢Ⅱ→重新回到磁刚Ⅰ。优化后的磁路模型如图3所示，同理，忽略电机的漏磁效应就可以将模型简化，在此不做赘述。

2.2优化前后电机性能对比

对比改进前后电机的磁路（如图2、图3所示），本文所提出的优化结构具有以下特点：

（1）改进后，整个磁路的磁阻会降低，则气隙的磁通会提高，在匝数不变的情况下，电机的力矩系数会增加，电机的机械特性曲线会变硬，且电机的功率密度也会提高，这对于减小电机的体积、降低电机的重量具有一定的实际意义。说明：在设计时需保证电机的磁路不饱和。

（2）在一定情况下，能有效地提高电机的效率。这是由于电机转子磁轭的磁密降低，电机转子部分的铁损减小的缘故。

图3　优化转子结构后的永磁直流无刷电机磁路模型

3　系统仿真实例

3.1仿真设置

为了对比转子结构改进前后对电机性能的影响，仿真模型仅在有无磁钢Ⅱ上有区别，其它的参数设置、材料属性等均一致。仿真模型的主要设计参数为：（1）电机类型：永磁直流无刷电机、三相六状态星形连接；（2）电机槽极数：4极12槽；（3）供电电压：56 V；（4）绕组类型：双层绕组、整极距；（5）材料类型：软磁材料35w270，硬磁材料SmCo30H。

3.2仿真结果与分析

仿真结果如图4所示。图4是两个模型的周向气隙磁密，其中，实线代表的是通用结构的，点化线代表的是优化磁路结构的。由图4可以明显看出，优化方案的计算极弧系数（所形成的每极气隙磁感应强度的平均值与最大值的比值）要明显大于原始方案的计算计算极弧系数。通过对磁路的改善，每极的磁通会增加，这在一定程度上提高了电机的功率密度（或转矩密度），使得电机更小型化和轻质化。

图4　仿真模型的周向气隙磁密

改进方案的转子磁轭其磁力线要明显稀疏于未改进方案的，这在一定程度上会降低电机的铁损，提高电机的效率，这种改善效果在高转速电机中表现的更为明显

4　结论

电机设计时，电机的磁路优化是一个值得深入的问题。本文所提出的磁路优化方案对电机的性能有着一定的改善，具有一定的工程应用意义。

[1]谭建成.永磁无刷直流电机技术[M].机械工业出版社.

[2]周赣，黄学亮，周勤博，等.Halbach型永磁阵列的应用综述[J].微特电机，2008,8.

TM 33

A

1671-0711（2016）09（下）-0104-02