组合磁化无槽永磁电机磁场分析与优化研究

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　　摘 要：永磁电机气隙磁场分布与采用的磁化方式密切相关，设计永磁的磁化类型是电机磁场分析的重要环节。在传统永磁电机采用常规单一充磁类型的基础上，提出由不同磁化方式组合后形成一种崭新的混合磁化方式。首先，采用二维解析法，通过求解拉普拉斯方程和准泊松方程，并依据磁场的边界条件，获得无槽永磁电机的空载气隙磁密精确解析式。然后，利用解析法快速计算的特点，在保证永磁体每极磁化区域单位体积平均剩磁相同的前提下，分析两种组合磁化方式的气隙磁场分布。接着，对永磁厚度进行优化分析。通过计算得出，组合磁化方式可增加气隙磁密径向分量基波幅值，降低气隙磁密中谐波成分，同时能够减小永磁体积，降低电机制造成本。最后，二维有限元法与二维解析法计算结果的一致性，验证了组合磁化解析模型的准确性。
　　关键词：无槽永磁电机;组合磁化;二维解析法;永磁厚度优化
　　DOI：10.15938/j.emc.2020.03.010
　　中图分类号：TM 351文献标志码：A文章编号：1007-449X（2020）03-0079-09
　　Abstract：Airgap magnetic field distribution in the permanent magnet （PM） machines is closely related to the magnetization mode. Selecting a reasonable magnetization mode is of great significance to improve the magnetic field distribution. Based on the analysis of the single magnetization mode， proposing a new hybrid magnetization method formed by combining different magnetization methods. First， the noload airgap flux density was analytically derived by solving Laplacian and quasiPoissonian equations and applying the boundary conditions. Second， considering the analytical method with the advantage of little computation time， the airgap magnetic field was analyzed for two kinds of combined magnetization in terms of the equal average magnet remanence per unit volume in one pole magnetization region. Third， the PM thickness optimization was performed and the optimization results show that the combined magnetization can improve the airgap flux density and decrease the PM material and the manufacture cost. Finally， the results by the twodimensional （2-D） finite element method are in accordance with those by the 2-D analytical models.
　　Keywords：slotless PM machine; combined magnetization; twodimensional analytical method; permanent magnet thickness optimization
　　0 引 言
　　随着永磁材料的发展，对于永磁电机的研究越来越深入。永磁材料的利用不仅促进电机的高效节能，而且能够提高电机的各项性能。无槽永磁电机是一种新型电机[1-2]。由于无槽永磁电机的定子冲片未开槽，将定子冲片叠压后形成无槽的定子结构，电机的绕组不能像普通绕组一样嵌放在定子槽中，通常采用特殊的工艺将电枢绕组按一定叠放顺序置于电机定子内表面上。由于电机定子部分没有开槽，电机的齿槽转矩脉动极低，可忽略不计，转矩脉动小成为无槽电机的重要优点。此外，气隙内的电枢绕组嵌会占据一定的空间，不可比避免的需要设计电机气隙尺寸適当大些，以满足转子高速运行的需求。定子无开槽结构的永磁电机也称为空心杯电机，具有转矩脉动小、噪音小以及运行稳定等优点，适合在高精密仪器设备中应用[3]。随着电力电子技术的发展，促进了无槽永磁电机在医疗器械、航空航天等领域中的应用，是一种应用前景广阔的新型电机。
　　文献[4-5]采用解析法对表贴式转子径向、平行等单一磁化方式分析，解析式中虽包含极弧系数变量，但在实例分析时，只选取特定的极弧系数进行了分析，并未研究极弧系数变化对气隙磁密的影响规律。文献[6-10]运用解析法分析了径向、平行以及Halbach磁化方式的无槽及有槽永磁电机的气隙磁场，得出Halbach磁化方式的气隙磁密波形更接近正弦波，但未对永磁厚度进行优化，并且文中仅采用一种永磁材料，对采用不同的永磁材料并未研究。文献[11]采用有限元法分析了径向、平行以及Halbach磁化方式的电机气隙磁场，并未论及组合磁化对电机气隙磁场的影响，也没有用解析法进行分析。文献[12-13]建立了分块式Halbach型磁钢的永磁同步电机的解析模型，但磁钢充磁角度过于复杂，并且分块Halbach阵列存在磁屏蔽效应，需要对转子铁心进行特殊设计。文献[14-15]建立双层Halbach阵列的解析模型，但转子结构过于复杂、机械强度不高，实用性受限。文献[16-21]研究了Halbach阵列的永磁直线电机。Halbach阵列即组合磁化方式，包含Y轴方向磁化的永磁和X轴方向磁化的永磁。通过分析极弧系数[16]、磁极形状[17]、不同极槽配合[18]以及双层Halbach陈列[19-21]等方法，可以获得较大的推力。但未对不同永磁材料组合进行分析。 　　基于对上述研究的分析，本文提出一种对永磁转子采用平行与径向的组合磁化方式。利用二维解析法对无槽永磁电机的空载气隙磁场进行深入研究，得出极弧系数、剩磁比例以及永磁厚度等参数变化对气隙磁场的影响。分析结果表明，组合磁化不仅能优化空载磁场参数，而且可以节约永磁材料，降低电机制造成本。
　　1 无槽永磁电机的解析模型
　　1.1 无槽永磁电机的结构
　　研究的无槽永磁电机结构如图1所示。三相对称绕组安装在气隙中。永磁为表面安装结构，采用组合磁化方式，具体磁化方式分别如图2和图3所示。其中图2为第1种组合磁化方式，即中间径向磁化两侧平行磁化;图3为第2种组合磁化方式，即中间平行磁化两侧径向磁化。
　　电机的气隙磁场决定了感应电动势、电磁转矩等参数性能，分析气隙磁密波形对于改善电机性能具有重要意义。首先通过二维解析法建立组合磁化无槽永磁电机的解析模型，求解拉普拉斯方程和准泊松方程，得到空载气隙磁密的精确解析表达式。分析结果表明，在与单一磁化的单位体积剩磁相同的前提下，组合磁化能够有效改善气隙磁密波形。然后，对永磁厚度进行了优化分析。可以得出，组合磁化方式可增大径向气隙磁密基波幅值、降低THD，并能够减小永磁体使用量，从而降低了电机制造成本。最后，二维解析法与二维有限元法的计算结果一致，验证了解析模型的正确性。总之，解析法不仅可快速求解获得相关参数改变对气隙磁场的影响，而且可以实现对相关变量的优化，为该类电机的优化设计提供了一种新的思路。
　　
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　　（编辑：贾志超）
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