多齿型定子的开关磁通永磁电机设计与仿真

柴新宁， 赵永强， 孙允璞

(陕西理工大学 机械工程学院, 陕西 汉中 723000)

多齿型定子的开关磁通永磁电机设计与仿真

柴新宁， 赵永强， 孙允璞

(陕西理工大学 机械工程学院, 陕西 汉中 723000)

提出了一种多齿型定子铁芯结构的开关磁通永磁电机，并建立电机参数化模型。以电机定/转子之间间隙、永磁体厚度、定子齿宽等参数作为分析变量，基于有限元分析软件对多齿型开关磁通永磁电机的气隙磁密、齿槽转矩等电磁特性进行分析，为直驱型纯电动汽车所用电机的设计及优化提供参考。

开关磁通永磁电机； 有限元分析； 电磁特性； 多齿铁芯

目前在纯电动汽车中普遍使用的传统永磁电动机将永磁体镶嵌在转子中，传统电机高速运转时非常容易出现永磁体甩飞落的情况。为解决上述问题，大部分研究者采用不锈钢或者非金属材料制造的紧固装置将永磁体固定于转子上，但采用这种方式又带来电机散热效果差、功率密度低，永磁体高温退磁现象明显等问题[1-2]，这些问题使传统永磁电动机在纯电动车领域的应用受到限制。

针对传统永磁电机出现的问题，国内外诸多学者、高校及组织机构对其展开研究，他们发现一种新型电机-开关磁通永磁电机。该电机摒弃传统电机设计理念,将永磁体置于定子中，这种新型电机不仅克服了传统永磁电机所出现的问题，而且具有开关磁阻电机转子结构简单、机械强度高、反电势正弦、功率密度高、抗退磁能力强等优点，并且开关磁通永磁电机定/转子均为双凸极结构，电枢绕组和永磁体均位于定子，使得转子结构简单非常适用于交流传动系统。由此开关磁通永磁电机在纯电动汽车领域的应用成为一个全新的研究方向。

经过长期研究及实验，研究人员发现新型开关磁通永磁电机性能易受电机定/转子拓扑结构、永磁体用量等参数的影响，其中电机转矩波动、聚磁效应、齿槽效应问题尤为突出。针对上述问题研究人员从不同角度对其展开研究：TANG Y等[3]采用有限元分析法，对开关磁通永磁电机拓扑结构的电机性能进行分析，电励磁拓扑结构电机在一定转矩密度下电机的弱磁性能显著提高，但该结构增加了电机铜耗、绕组间的互感；ZHU Z Q等[4]采用定子磁极“多齿”的拓扑结构，与传统开关磁通电机的电磁性能相比较，新拓扑结构电机永磁体体积大幅减少，转矩密度明显提高、转矩波动缩减，但该结构增加加工难度，电机控制系统设计繁琐，加大电机加工成本；CHEN J T等[5]提出了E型铁心开关磁通电机的拓扑结构，与U型铁心结构电机相比，永磁体用量大幅度减少，转矩密度却基本不变，铜耗明显降低，可转矩波动相对加大。

对多齿型定子开关磁通永磁电机转矩波动大的问题，本文提出一种12/22极多齿型定子铁芯的开关磁通永磁电机，参考传统开关磁通永磁电机的基本尺寸建立新型电机的参数化模型，从电机的气隙大小、定子齿宽、永磁体充磁方向厚度、转子极结构等几个方面对开关磁通永磁电机转矩波动和转矩密度影响进行分析。

1 多齿型定子开关磁通永磁电机设计

1.1 电机工作原理

开关磁通永磁电机拥有特殊的定子、转子结构，并且电机永磁体和电枢绕组均布置于定子，因此其工作原理与传统电机大不相同。电机工作过程中其磁通变换如图1所示，以电机定子中某一磁极为研究对象，分析其电枢绕组磁链流通情况：当电机定子、转子凸极处于图1所示位置I时，电枢绕组磁链由定子齿通过电枢绕组到转子凸齿回到定子形成闭合磁路；当电机定子、转子凸极处于图1所示位置II时，电枢绕组磁链由转子凸齿经定子齿通过电枢绕组回到转子形成闭合磁路。开关磁通永磁电机定、转子之间的关系由图1中位置I到位置II过程中，定子磁极电枢绕组磁链流通方向相反、大小相等。

(a) 位置I (b) 位置II图1 开关磁通永磁电机磁通切换原理图

多齿型定子开关磁通永磁电机定、转子相对位置由位置I到位置II的过程中，电枢绕组磁通方向发生变化，并显示双极性。电机磁通变换过程中电枢绕组感应磁场与永磁体磁场处于并联关系、互不干扰，同时电枢磁场对永磁体工作点的影响较小，不会造成永磁体的不可逆退磁。因此，开关磁通永磁电机适合做交流电机进行弱磁控制，电机的调速或伺服控制可以通过磁场的定向矢量变换实现[6]。

1.2 电机主要参数设计

本文设计电动车基本性能参数为额定转速nN=600 r/min，额定转矩TN=80 N·m，额定功率PN=5 kW,根据以上所述基本性能要求，设计多齿型开关磁通永磁电机的主要尺寸[5,7-8]，如表1所示。

表1 电机主要参数值

参考现有开关磁通永磁电机的设计，本文设计多齿型定子开关磁通永磁电机的转子极数NR、定子极数Ns、电机相数m满足关系式

(1)

其中K1和K2都是自然数。本文设计多齿型定子开关磁通永磁电机定、转子极数之比为12/22，电机定子是由12个周向布置的多齿型定子铁芯构成；永磁体为长方体结构并切向充磁，且镶嵌于两个多齿型定子铁芯之间，相邻永磁体充磁方向相反；三相电枢绕组采用双层集中绕组形式布置于定子铁芯。

设计多齿型定子开关磁通永磁电机主要尺寸：定子外径Dso及电枢铁芯长度La等参数满足关系

(2)

(3)

依据表1相关数据和式(2)确定多齿型定子开关磁通永磁电机主要尺寸。由于开关磁通永磁电机和直流永磁同步电机结构相似，因此参考直流永磁同步电机定、转子尺寸设计方法，对多齿型定子开关磁通永磁电机的定子齿宽度ts、转子齿宽度tr、永磁体磁化方向厚度hpm、定子轭部厚度hps、槽口宽度tslot进行设计，各参数之间的关系满足式(3)。根据以上分析得出电机初始尺寸[9]。

2 多齿型定子开关磁通永磁电机仿真分析

2.1 永磁体磁化方向的厚度

依据电机初始尺寸利用有限元分析软件建立电机参数化模型。对于开关磁通永磁电机而言，永磁体用量和结构尺寸对电机成本和性能均有影响，因此永磁体结构尺寸的选择需兼顾电机性能和经济成本。多齿型定子开关磁通永磁电机由于定子的特殊结构使得永磁体用量缩减，电机成本降低。通过有限元分析软件设计永磁体结构尺寸，初始设计时选取永磁体磁化方向厚度hpm等于定子齿宽，但这个比例关系并不是最佳选择[10]。图2为永磁体磁化方向厚度hpm取3.09～3.79 mm，步长为0.1 mm时电动机齿槽转矩波形图。

图2 永磁体磁化厚度-齿槽转矩波形

由图2分析，对于不同永磁体磁化方向厚度为hpm的电机，其他参数保持不变的情况下，随着hpm增大，电机定力矩有所增大，电机齿槽转矩波形接近理想正弦波，但电机齿槽转矩增大使得电机瞬时波动变大，电机平稳性变差，而且当hpm增大时，电机永磁磁链值增大，电机的弱磁控制难度增加，不利于电机高速运行。所以，永磁体磁化方向厚度的选择要综合考虑电机输出力矩、力矩波动和弱磁控制的影响。

2.2 定子齿宽度

电机定子齿作为电机磁路的主要组成部分，齿宽对电机的转矩性能和经济性能影响巨大。定子齿宽增大将减小定子槽面积，同时增大绕组槽满率使下线难度增加，电机运行时散热难度增加，严重时会导致电机升温过高而烧毁；定子齿宽过小，齿部磁密容易出现过度饱和现象，引起电机非线性问题[11]。因此研究定子齿宽对电机转矩性能的影响必不可少，在保证电机结构的对称性以及其他参数不变的前提下，通过设置定子齿宽ts取3.69～4.19 mm，步长为0.1 mm，分析不同定子齿宽对电机齿槽转矩的影响，如图3所示。

由图3分析得到，多齿型定子开关磁通永磁电机齿槽转矩波形随定子齿宽的增加都按照正弦变化，并且随定子齿宽变化电机齿槽转矩峰值波动不是很大，而随定子齿宽增大齿槽转矩整体呈增长趋势，但齿槽转矩整体增大不明显。因此，综合考虑电机绕线槽满率、转矩特性以及生产成本，最终选择多齿型定子开关磁通永磁电机的定子齿宽ts=3.69 mm。

2.3 气隙宽度

气隙磁密幅值的大小对多齿型定子开关磁通永磁电机磁场强弱、功率密度以及转矩密度大小都有巨大影响，而且气隙大小对电机的安装以及装配零件精度都有较高的要求，这无异于增加电机的制造成本和电机通用性[12]。因此，在保证其他电机参数不变的情况下，电机气隙宽度取0.5～1 mm，步长为0.1 mm时，分析随气隙宽度变化电机磁密以及齿槽转矩的变化情况，如图4所示。

(a) 定子齿宽-齿槽转矩波形 (b) 定子齿宽-齿槽转矩分布图图3 定子齿宽-齿槽转矩变化

图4 气隙-磁通量波形和齿槽转矩波形分布

由图4分析，在其他条件不变的前提下，随气隙宽度增加电机三相绕组磁通量峰值、齿槽转矩峰值均逐渐减小，然而随气隙宽度增大，磁通量波形及齿槽转矩波形均呈现出较好的正弦特性；随电机气隙逐渐增大齿槽转矩波动明显降低，同时电机运动平稳性有所提高，气隙磁阻不均匀程度、气隙磁场永磁能量、电机噪声均有所降低，但气隙过大不利于电机高速弱磁控制，而且电机系统机械特性和输出转矩都将大幅度降低。电机气隙减小会带来电机定子齿局部过饱和以及电机齿槽转矩波动增大等问题，对电机安装、控制、启动都有巨大影响。因此，综合考虑多齿型定子开关磁通永磁电机气隙宽度选取0.5～0.8 mm之间的数值。

2.4 转子齿辅助槽

永磁开关磁通电机由于其特殊的双凸极结构，未经优化时其所产生的齿槽转矩相对其他类型电机较高，较高的齿槽转矩不仅引起转矩波动，而且产生振动和噪声，导致电机运行恶化，最终会对整个控制系统产生影响。近年来开关磁通永磁电机的研究中对齿槽转矩的优化较少提及[2,13]。图5(a)为在转子齿顶1/2处开有单矩形辅助槽，图5(b)为在转子齿顶1/3和2/3位置设计双辅助槽的原理图。

(a) 单辅助槽 (b) 双辅助槽图5 转子凸极辅助槽原理

图6所示随转子凸极矩形辅助槽宽L4和槽长L3增长，电机齿槽转矩波形变化分布图。由图6(a)分析，随辅助槽宽L4取0.9～1.3 mm，步长为0.1 mm时，电机齿槽转矩波形按理想正弦分布，齿槽转矩幅值明显降低；由图6(b)得出，随辅助槽长L3取1.2～1.6 mm，步长为0.1 mm时，电机齿槽转矩波形并非按理想正弦波变化，齿槽转矩峰值超出正常值。

图7所示随转子凸极矩形辅助槽宽L2和槽长L1增长，电机齿槽转矩波形变化分布图。由图7(a)可知，随辅助槽宽L2取0.864～1.264 mm，步长为0.1 mm时，电机齿槽转矩波形按理想正弦分布，齿槽转矩波动并无明显降低；由图7(b)得出，随辅助槽长L1取1.2～1.4 mm，步长为0.1 mm时，电机齿槽转矩波形按理想正弦波变化，齿槽转矩峰值明显增大，电机启动波动增大。

(a) 槽宽-齿槽转矩波形 (b) 槽长-齿槽转矩波形图6 转子凸极单辅助槽波形图

(a) 槽宽-齿槽转矩波形 (b) 槽长-齿槽转矩波形图7 转子凸极双辅助槽波形图

由图6和图7分析，对于多齿型定子开关磁通永磁电机而言，转子凸极设计单辅助槽比设计双辅助槽对降低电机齿槽转矩要明显。同时，增加辅助槽宽对降低转矩波动和减小启动波动以及噪声有明显效果。因此，多齿型定子开关磁通永磁电机转子凸极设计一个辅助槽为最佳结构，槽宽取L4=1.2 mm,槽长L3=1.6 mm。

3 总 结

本文针对多齿型定子开关磁通永磁电机齿槽转矩与转矩波动问题进行研究。在保持其他条件不变的情况下，以电机永磁体磁化宽度、定子齿宽度、定/转子之间间隙为变量分析其对齿槽转矩的影响，其中永磁体磁化宽度参量对多齿型定子开关磁通永磁电机齿槽转矩影响较大，随永磁体磁化宽度增加齿槽转矩峰值变大；多齿型定子铁芯中定子齿宽对电机齿槽转矩的影响较小，随定子齿宽增大电机齿槽转矩在一定范围内保持不变。电机定、转子之间气隙对电机齿槽转矩影响较大，随电机气隙增大电机齿槽转矩明显降低；定、转子之间气隙变化不仅对齿槽转矩有影响，同时也影响电机磁通分布，随电机气隙增大,电机A、B、C三相电枢绕组磁通峰值之间差值仅为0.04，因此电机气隙变化对A、B、C三相电枢绕组影响不大。转子凸极开有单辅助槽时，电机转矩波形按正弦分布，电机转矩波动有明显降低，齿槽转矩波动下降86.62%，而转子凸极开有双辅助槽时，电机转矩波形仍按正弦分布，但转矩波动并无明显变化。因此对多齿型定子开关磁通永磁电机而言，通过合理选择电机永磁体磁化宽度、电机气隙宽度以及在转子凸极开有单辅助槽对降低电机齿槽转矩波动效果显著。

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[责任编辑：李 莉]

Design and simulation of multi-tooth stator flux permanent magnet motor

CHAI Xin-ning， ZHAO Yong-qiang， SUN Yun-pu

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

Switched-flux permanent magnet motor with multi-toothed stator core structure is proposed, and the parametric model of the motor is established. The clearance between the stator and the rotor, the permanent magnet thickness and the stator tooth width are taken as the analysis variables. The analysis software is used to analyze the electromagnetic characteristics such as air gap flux density and positioning torque of the multi-tooth type switched magnetic flux permanent magnet motor, which can provide reference for the design and optimization of the motor used in the direct drive type pure electric vehicle.

switched flux permanent motor; finite element analysis; electromagnetic characteristics; multi-tooth core

TM351

A

2096-3998(2017)05-0025-06

2017-02-27

2017-07-06

陕西省教育厅专项科研计划项目(16JK1166)

柴新宁(1989—)，男，甘肃省酒泉市人，陕西理工大学硕士研究生，主要研究方向为汽车节能技术与电动汽车设计；[通信作者]赵永强(1976—)，男，陕西省扶风县人，陕西理工大学副教授，硕士生导师，主要研究方向为先进成形技术设备与交流伺服控制。