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摘要：在本文中，進行了不同以往設(shè)計的嵌入式V型磁鐵的永磁同步電動機（PMSM）與嵌入式U型磁鐵的電機在每一對電極的比較。表明了U型磁鐵的電動機與V型磁鐵型能產(chǎn)生同樣的電效能。
介紹
嵌入式磁鐵型永磁同步電動機（PMSM）被認為是在一個范圍廣泛的變速驅(qū)動器。嵌入式磁鐵相比于表面磁鐵型的設(shè)計具有很多優(yōu)點。通量濃度可以取得引起更高的氣隙磁通密度的效果。更高的氣隙磁通密度使機器轉(zhuǎn)矩的提高成為可能。嵌入式磁鋼結(jié)構(gòu)也讓形成空氣間隙和達到更平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩成為可能。轉(zhuǎn)子生產(chǎn)也更簡單了。一些不同的嵌入式磁鋼轉(zhuǎn)子如圖1所示。
嵌入式磁鋼將磁鐵設(shè)計為細長狀但數(shù)量不變，這使減小磁阻成為可能。使用V型或徑向磁鐵的嵌入式磁鋼對減少磁阻有所限制，U型磁鐵的設(shè)計在每一極都有V型和徑向磁鐵的良好性能。然而，U型磁鐵的設(shè)計在每一對電極都可能進一步的減少磁阻。
在本文，V型磁鐵和U型磁鐵兩種嵌入式磁鋼在每一對電極都做了比較。通過時間步和靜態(tài)計算的有限元方法進行了分析，這些機器磁性的寬度和長度也進行了考慮。
電機設(shè)計
嵌入式磁鋼內(nèi)部轉(zhuǎn)子的設(shè)計使轉(zhuǎn)子的裝配比其它類型的設(shè)計都要簡單。轉(zhuǎn)自盤保證磁鐵在合適的位置并且不需要額外的加固繃帶。磁鐵嵌入在復(fù)合轉(zhuǎn)子鐵的沖壓槽。V型嵌入式磁鋼設(shè)計如圖2所示，U型嵌入式磁鋼設(shè)計如圖3所示。
a) b) c)
圖1：嵌入式磁鋼電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)切向磁鐵、徑向磁鐵、V型磁鐵
圖2：12極V型磁鐵永磁電動機設(shè)計
圖3：12極每一對電極U型磁鐵永磁電動機設(shè)計
這兩種電動機的唯一不同在于他們的內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。磁鐵的面積是一樣的，而且在如圖3的磁鐵結(jié)構(gòu)中，每一極都更細更長。同時，磁鐵的每一極具有同樣的寬度和長度的結(jié)構(gòu)也是考慮過的。此外，磁鐵間的各種大小的鐵支架和空氣間隙也是一樣的。
U型設(shè)計的磁鐵塊數(shù)量減少到V型設(shè)計的3/4。這為將磁鐵嵌入轉(zhuǎn)子節(jié)省了時間。
計算結(jié)果
V型和U型電動機設(shè)計的電氣性能是有計劃的。電機數(shù)據(jù)研究如表1所示。利用時間步的有限元法完成了計算，也研究了不同負載的性能。計算了電壓源并且采用角接法。由于轉(zhuǎn)子的不同結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)的兩極都進行了建模。電路計算如圖4所示。在電路中有三個電壓源，六個繞組連接，三個端部繞組電阻和三個端部繞組電感。在所有的時間步計算中，定子的電壓相角和振幅是一樣的。計算是以不同的轉(zhuǎn)子角開始并以順便現(xiàn)象結(jié)束，利用的是恒定的轉(zhuǎn)子速度。
三個實例的磁通線設(shè)計為額定負載如圖5-7所示。也能看見緊縮的磁通量。U型設(shè)計中的每一對電極都是不同的，這代表兩極之間的結(jié)構(gòu)是不對稱的。在圖5、圖6，每一個轉(zhuǎn)子電極的磁鐵長度、寬度和面積都是一樣的。
圖8將額定負載下U型A和V型設(shè)計的定子齒的磁通量密度計算以時間函數(shù)的形式展示。可以看到不同設(shè)計的效果。這比較而言是小的。可以看出，對于我們的U型、A設(shè)計，磁通量的絕對值是在兩極之間呈周期對稱的。在U型、B設(shè)計中磁通量也是對稱的。可以看到無偏差的對稱。
表1：電動機數(shù)據(jù)
軸高度 280 mm
功率 27.5 KW
電壓 370 V
電流 45 A
極數(shù) 12
轉(zhuǎn)速 300 rpm
圖4：電路計算
圖5:額定負載的緊縮磁通量，原始設(shè)計（V型）
圖6:額定負載的緊縮磁通量，新設(shè)計A（U型、A）
圖7:額定負載的緊縮磁通量，新設(shè)計B（U型、B）
圖9表示V型和U型A設(shè)計的磁通量密度只由不同轉(zhuǎn)子角的定子齒中的磁鐵產(chǎn)生。每一個轉(zhuǎn)子電極的磁鐵長度和寬度都一樣。V型和U型A的磁通量密度最大值和平均值分別是1.463 T, 1.420 T 和 0.932 T, 0.926 T。U型A的磁通量密度稍小是因為磁鐵之間間隙的小影響。
我們?nèi)齻€實例設(shè)計的額定負載和最大負載通過時間步法計算出來了。在表2，計算結(jié)果和V型設(shè)計的試驗結(jié)果進行了比較。可以看出V型設(shè)計的計算結(jié)果給出了正確的電流。定子繞組的銅損失用效率η的計算考慮。其它的損失很小。
圖8：額定負載下U型A和V型設(shè)計的定子齒的一個周期內(nèi)的磁通量密度
圖9：V型和U型A設(shè)計的磁通量密度只由不同轉(zhuǎn)子角的定子齒中的磁鐵產(chǎn)生
從表中首先看出U型A的每電極所有磁鐵的長度和厚度的計算結(jié)果是與V型設(shè)計一樣的。其次看出U型B的每電極的磁鐵更長并且更薄。磁鐵的厚度、寬度和面積是以毫米為單位在表中顯示的。V型設(shè)計的實際尺寸也就是U型尺寸是與V型設(shè)計尺寸相符合的。
U型A的輸出轉(zhuǎn)矩最大值比V型設(shè)計更小并且具有一個較小的負載角差，這是由于磁鐵間更小的磁阻轉(zhuǎn)矩和金屬橋的影響。轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩如圖10所示。
表2：額定負載的結(jié)果比較
測量 計算 計算 計算
V-型 V-型 U-型A U-型B
Tn[Nm] 875 875 875 875
In[A] 46.5 45.5 45.8 45.4
Cos ω 0.993 0.997 0.997 1.000
η 0.929 0.946 0.939 0.938
Angle 32.6 29.7 25.4
Tk [Nm] 1,688 1,557 1,418
Ik [A] 122.5 113.8 98.5
Cos ω 0.856 0.841 0.804
Angle 114.1 111.5 99.2
Magnets thickness 7.3 7.3 5.15
Magnets width 52 52 72.2
Magnets area 379.6 379.6 371.83
圖10：V型和U型設(shè)計的電動機轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩與負載角的函數(shù)關(guān)系
圖11：功率因數(shù)與轉(zhuǎn)矩的函數(shù)關(guān)系
V型設(shè)計的磁阻轉(zhuǎn)矩比U型設(shè)計的大，是因為轉(zhuǎn)子的磁結(jié)構(gòu)。通過比較U型A和U型B設(shè)計的轉(zhuǎn)矩大小也可以看出減小磁鐵厚度的影響。磁阻和最大轉(zhuǎn)矩比厚磁鐵小。
V型和U型設(shè)計的功率因數(shù)與轉(zhuǎn)矩的函數(shù)關(guān)系如圖11所示。U型A設(shè)計的電動機功率因數(shù)比標準值高并且隨著轉(zhuǎn)矩升高而變小。電動機的標準轉(zhuǎn)矩是875 Nm并且通常電動機是在部分載荷和不同轉(zhuǎn)速下工作的。因此，U型磁鐵的電動機通常在轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)會有更好的功率因數(shù)。由于更小的磁阻，轉(zhuǎn)矩最大值也會減少。由于V型B設(shè)計的磁鐵更長更薄，那可以預(yù)期出在額定負載的情況下會獲得更小的轉(zhuǎn)矩最大值和更高的功率因數(shù)。
V型和U型A設(shè)計的轉(zhuǎn)矩有顯著性的差異。這一點如圖12所示。對于U型A設(shè)計，轉(zhuǎn)矩的振動是隨著磁鐵的頻率在定子相。V型設(shè)計的振動頻率是U型頻率的一半，是因為V型設(shè)計是兩塊磁鐵轉(zhuǎn)變到一個定子相，U型A設(shè)計是一塊磁鐵轉(zhuǎn)變到一個定子相。此外，振幅比V型設(shè)計小。
圖12：V型和U型A的轉(zhuǎn)矩振動
結(jié)論
以上表明，U型磁鐵式永磁電動機的磁鐵在每一對電極的工作效果與傳統(tǒng)的V型磁鐵式永磁電動機的每個電極一樣好。此設(shè)計中極對數(shù)的不對稱結(jié)構(gòu)引起了磁場空氣間隙的不對稱。這個設(shè)計使利用同數(shù)量的磁鐵獲得更高的通量密度成為可能。磁鐵塊的數(shù)量也減少了。
U型A設(shè)計的轉(zhuǎn)矩振幅相比V型設(shè)計太高了。這應(yīng)避免在磁鐵和空氣間隙附近用不同的定子槽或者金屬結(jié)構(gòu)。
總之，這個新的解決方案提供了生產(chǎn)具有更好的功率因數(shù)和效率的嵌入式永磁電動機的可能。
