弓形磁极永磁电机正弦削极修正模型.pdfVIP

2023 年 7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No. 14 第 38 卷第 14 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2023 DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.221853 弓形磁极永磁电机正弦削极修正模型 赵浩然 王 东 胡鹏飞 魏应三 易新强 （海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室 武汉 430033 ） 摘要 该文以气隙磁通密度函数和永磁体磁化方向厚度函数为理论基础，结合卡特系数计算 公式、磁路等效原理和分布磁路法，考虑定子开槽、极间漏磁、磁极边缘效应及磁路饱和等因素 的影响，推导出表贴式永磁电机平行充磁条件下的正弦削极修正解析模型。而后建立有限元模型 验证了解析模型的准确性，并与简化正弦削极电机、偏心削极电机进行仿真对比。结果表明修正 正弦削极电机所得气隙磁通密度总谐波失真（THD ）分别较简化正弦削极电机和偏心削极电机低 41.3 %和 23.4 % ，径向电磁力密度 THD 分别较简化正弦削极电机和偏心削极电机低 29.82 %和 19.24% ，从而使电机转矩脉动降低。最后通过实验进一步验证了修正解析模型的准确性。该文提 出的修正解析模型，不仅使电机的电磁性能得到了进一步优化，而且理论基础明晰，不用像偏心 削极一样，需要进行遍历扫描寻优，提高了电机的设计效率，为高品质永磁电机的优化设计提供 了参考。 关键词：永磁同步电机 正弦削极修正解析模型 平行充磁 分布磁路法 中图分类号：TM341 和正弦削极两种削极方式。偏心削极的磁极结构示 0 引言 意图如图 1 所示，该方法通过改变永磁体的极弧系 永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous 数和外表面的偏心距，使电机气隙磁通密度的谐波 Motor, PMSM ）具有高转矩密度、高功率因数、高 含量达到最小，从而得到优化后的偏心磁极，使径 可靠性、高效率等优点，目前已经广泛应用于航天、 向气隙磁通密度波形接近正弦[17-20] 。偏心削极具有 交通运输、医疗、国防等领域[1-8] 。通过减小PMSM 设计方法简单、加工工艺成熟等优点，因此在实际 气隙磁通密度谐波可以削弱电机气隙磁场径向电 的工程应用中较为广泛，但是因为最优偏心距的变 磁力谐波和转矩脉动，从而降低电机振动噪声和铁 化受到漏磁、饱和、开槽、气隙长度、极弧系数、 耗，提高电机的整体性能。因此，研究提高PMSM 永磁体相对磁导率等多个因素的影响，在设计之初 气隙磁场正弦度的电机设计方法，具有十分重要的 需要建立大量的仿真模型进行遍历扫描，时间成本 意义。 高，而且这种削极方法对于气隙磁场的优化程度有 PMSM 气隙磁通密度的优化通常从本体设计和 限，很难满足高品质电机的需求。正弦削极是利用 控制策略优化两个方面入手[9-12] 。永磁电机削极技 永磁体相对磁导率接近于空气的特性，将永磁体削 术是电机本体设计中最有效的途径之一。采用削极 减为正弦形状，以得到接近正弦的气隙磁通密度， 的方式改变转子永磁体或者转子铁心外表面极弧形 正弦削极简化模型磁极结构示意图如图2 所示，图 状和长度并进行优化，可以达到增加电机径向气隙 中Δt 是为了减小极间漏磁和边缘效应增加的边缘厚 磁通密度正弦度、抑制转矩脉动和减振降噪的目 度。正弦削极相较于偏心削极，理论依据明晰，无 的[13-16] 。针对表贴式永磁电机目前主要有偏心削极 需像偏心削极一样进行遍历扫描优化，可以大