永磁容错电机的结构设计与分析

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　　【摘 要】三相永磁容错发动机在结构设计上可以实现容错原理，使发动机本身受益于物理绝缘，隔热和磁绝缘和电绝缘等能力。合理有效的电机结构的设计可以在某些程度上使得发动机的性能得到改善和提升。本篇文章显示从永磁容错电机的基本设计原则入手，讲述了其设计原则，接着讲述了电机的结构设计，而其中又从设计的主要内容、电机的磁路设计、磁极的尺寸设计和电机的槽型参数设计这四个方面进行详细的讲解，最后对永磁容错电机进行总结分析。
　　【关键词】永磁容错电机；磁路设计；尺寸设计；槽型参数设计；
　　电机以及控制系统的故障主要由电机本身的绕组开路、相间开路故障、匝间短路以及功率变换电路的短路故障与功率变换电路的开路故障所造成的，因此我们需要从电机结构以及电机控制系统这两个方面进行相关的容错设计。我们知道，传统的永磁同步电机与开关磁阻电机两者之间存在相互弥补的关系，因此我们需要把传统的永磁同步电机与开关磁阻电机两者的优点有机的结合起来，从而达到实现设计三相永磁容错电机结构的目的。
　　一、永磁容错电机设计的基本原则
　　可以看出，传统的永磁同步电动机在处于故障情况下由于受各项绕组间的相互作用而没有扭矩输出，因为传统的永磁同步电动机受到绕组之间相互作用的影响，这极大地妨碍了发动机的正常运行。由此可知，传统的永磁同步电机不具备在处于故障时的转矩输出功能，所以系统运行的功能，稳定性和稳定性无法保证。为了解决这个问题，这方面的研究者提出了设计一个容错永磁电动机这样一个设想，即永久磁铁耐引擎基于一个永磁同步电机，并且所述凹槽的尺寸和绕组结构被改变，从而来提供一个容错效果【1】。而为了实现永磁容错电机的容错性能，容错永磁电机可能会尝试在两个方面启动：在第一侧，当电机未能破坏正常相位时，必须最小化故障相的电机绕组。第二个方面，外壳设计用于即使在电机发生故障后也能确保稳定运行。上述的设计方案可以通过检测错误并及时采取纠正措施或通过设置适当的容错控制策略来实施解决方案，從而达到设计的目的。
　　二、三相永磁容错电机的结构设计
　　（一）三相永磁容错电机主要的设计内容
　　虽然在设计方面，三相永磁容错电机与传统的电机在很多方面存在着比较大的差异，但是三相永磁容错电机与传统的电机仍然在一些基本的设计内容上是有许多的相似性的，而永磁容错电机在结构设计的设计内容方面则需要对电机磁路设计、电机主要尺寸设计、电机槽型参数以及定转子轭部参数等内容方面进行详细的设计分析。【2】
　　（二）电机磁路设计
　　电机的磁路设计，即对于所需求的磁场的实际要求来设计，也就是根据所需设计的磁场的实际需求，对永磁体的材料、磁极的尺寸以及磁极的形状进行相对应的选择，从而使永磁体的性能达到最大程度上的利用的效果，继而使得磁路设计的合理性以及磁路设计的优质性得到最大程度上的实现，而其中关于永磁体材料的选择：根据永磁体材料的选择原则，将不同的永磁材料的性能参数进行相对应的对比、分析，比如永磁体材料为粘结式衫钴永磁材料，该材料具有较强的抗退磁能力，而且可以得到较大的电机功率密度，除此之外，粘结式衫钴永磁材料的最大使用温度为350摄氏度，因此可以很好的满足设计中对电机相对应的需求；在磁极性状的确定方面：永磁电机的磁极与电励磁电机的磁极是不相同的，永磁电机的磁极是永磁体，其磁路的形式多种多样，根据永磁体的位置、永磁体安置的方式、永磁材料的种类以及永磁体的形状等，可以将磁路分为很多种，例如根据安置方式的不同我们可以进行相对应的分类，将其分为内置式和表贴式两类，而根据永磁体的形状的不同可以分为环形磁极、爪形磁极、弧形磁极以及瓦片形磁极等类别，其中瓦片形磁极又由同心瓦片形磁极和等半径瓦片形磁极这两部分组合而成，等半径瓦片形磁极同时可以称之为离心式磁极。表贴式磁极具有可以增强绕组间的磁隔离能力，等半径瓦片形磁极具有可以在很大程度上提高材料的利用率的优点，所以我们应该根据实际的需求选择合理有效的永磁体。
　　（三）磁极的尺寸设计
　　永磁体磁化方向的宽度以及永磁体磁化方向的长度就是永磁体的主要的尺寸参数，在对永磁体磁化方向的宽度以及永磁体磁化方向的长度进行相对应的设计时我们需要考虑以下的一些因素：第一个因素是永磁体磁化方向的长度不可以过于小，否则这样不仅会增加永磁体的生产成本，而且还会造成永磁体极易退磁；在第二个因素则是对永磁体磁化方向的长度进行相关的设计过程中，需要尽最大可能使永磁体工作于最佳状态，这是因为在很大程度上永磁体的工作点是由自身的磁化方向长度所决定的；第三个因素则是由于永磁体的磁化方向宽度与永磁体提供的磁通的面积是紧密相连的，所以在对永磁体磁化方向宽度进行相关的设计过程中，要根据电机性能的要求对永磁体的磁化方向宽度进行针对性的调整措施。【3】
　　（四）电机槽型参数设计
　　发动机槽型的参数主要包括固定齿宽，孔宽度，槽的深度和孔的厚度。其中，就定子齿参数固定部分而言，定义了定子齿的最大磁场强度。通常，该值的取值范围在1.4T和1.6T之间，然后在需要相关得到公式中替换定子齿的最大磁密度从而来确定定子齿宽。通常，固定定子齿的高度是固定定子齿宽度的1.5至3倍不等。在设计过程中，孔中的电流密度可用于连续地验证定子齿的高度和定子齿的固定宽度之间的多重性。两者之间连续多元验证核实的目的是，如果倍数太大，则定子轭部的恒定饱和度极有可能是饱和的，进而造成电磁转矩的减小。相反，如果倍数太小，那么绕组电流的电流密度就有可能超过安全值。因此，在三相永磁电机的设计过程中，损坏的安全电流密度值与电机的冷却位置密切相关。因此，必须根据三级永久电阻的实际冷却方法对绕组的实际安全电流密度取值进行针对性的选择，从而确定线圈的实际电流。
　　根据已经确定的基本电磁参数，对电机进行相对应的设计，继而使电机的永磁体尺寸、槽绕组参数以及定转子尺寸等得以确定，在完成设计电机之后，再利用有限元软件进行仿真，而仿真则从磁力线的分布、磁密的分布、绕组的电感、齿槽的转矩以及空载反电动势波形等方面进行，从而对达到对电机设计的合理性、有效性的验证目的。【4】
　　三、小结
　　永磁容错电机的控制比较复杂，对数字处理器的需求也很高。所以永磁容错电机不仅具有相较于永磁同步电机功率密度大，以及效率较高的优点，而且具有很强的磁隔离和抑制短路电流的能力，同时它还具有比较高的容错特性和可靠性质。不仅如此，它的系统的体积还很小，功率密度很高，而且容易实现模块化。在永磁容错电机的双余度驱动技术融合容错与余度的基础上，比较容易实现。所以越来越多的人员开始对永磁容错电机进行相关的研究，而且永磁容错电机特殊的结构更促进其容错性能，因此对三相永磁容错电机的结构设计进行分析具有十分重要的意义。【5】 同时也可以预见，在永磁容错电机的结构分析方面的前景将会是非常的广阔。
　　参考文献：
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　　[2] 王伟，程明，张邦富，朱瑛，丁石川.电流滞环型永磁同步电机驱动系统的相电流传感器容错控制[J].中国电机工程学报，2012，32（33）：135-136.
　　[3] 郝振洋，胡育文.电力作动器用高可靠性永磁容错电机控制系统的设计及其试验分析[J].航空学报，2013.34（1）：109-110.
　　[4] 朱俊.稀土永磁电机的应用现状及其发展趋势[J].中国重型装备，2008.
　　[5] 黄苏融；钱慧杰；张琪；谢国栋.现代永磁电机技术研究与应用开发[J].电机与控制应用，2007.
　　（作者单位：成都市西华大学 机械工程学院）
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