磁钢充磁方式对内转子永磁电机的电磁性能影响分析

王晨, 曹光华,曾剑

(1.安徽机电职业技术学院电气工程系， 安徽芜湖241000；2.江西理工大学电气工程与自动化学院， 江西赣州341000)



磁钢充磁方式对内转子永磁电机的电磁性能影响分析

王晨1, 曹光华1,曾剑2

(1.安徽机电职业技术学院电气工程系， 安徽芜湖241000；2.江西理工大学电气工程与自动化学院， 江西赣州341000)

内转子表贴式永磁同步电机具有效率高、体积小、功率密度大等优点，其在工业机器人、数控机床等领域得到了广泛应用。在分析径向、平行充磁两种充磁方式的原理基础上，以24槽4极内转子表贴式永磁同步电机为例，利用有限元分析的方法，建立平行充磁和径向充磁两种充磁方式的分析模型，研究两种不同的充磁方式对电机齿槽转矩、气隙磁密等电磁性能的影响，给出了磁极数和永磁体尺寸对电机气隙磁场的影响。研究表明，对于极对数大于2的永磁同步电机，采用平行充磁的方式，电机的气隙磁密更大、齿槽转矩更小，电机的铁损耗更小，运行性能更优。

充磁方式；内转子；损耗；齿槽转矩

引言

表面式永磁电机由于其高效率、控制精度准确、加工工艺简单等优点，在伺服驱动、工业机器人等领域得到了广泛的应用。表贴式永磁电机的磁钢充磁方式有平行充磁、径向充磁及Halbach充磁等方式，最初出现的充磁方式是平行充磁，其成本低、加工工艺简单；而径向充磁加工工艺复杂，但对多极电机而言，可明显改变电机的电磁性能[1-3]。

随着稀土资源的逐渐减小，对永磁体充磁方式的研究转向了提高永磁材料的利用率、提高永磁电机的电磁性能等方面。文献[4]分析了平行充磁及径向充磁电机的磁密分布特点，研究了在两种充磁方式下，气隙磁密随极对数和磁钢厚度的变化规律；文献[5]建立了内转子与外转子永磁电机的有限元分析模型，分析了3种充磁方式对电机气隙磁密的影响规律，为其应用奠定了基础。

诸多文献对充磁方式的研究，仅仅是研究充磁方式对气隙磁密的影响规律，以及充磁方式对极对数以及电机拓扑结构的选择上，对充磁方式对电机损耗的研究并不多见。

本文在前人研究的基础上，采用内转子永磁同步电机，研究分析了永磁体充磁方式对电机的空载磁场、电机的损耗的影响规律，利用有限元分析软件进行对比研究，得出相关结论。

1两种磁体结构

当永磁体的磁化方向沿着电机转子半径方向向外辐射时，称之为径向充磁；当永磁体的磁化方向与其中心线平行时，称之为平行充磁[6]。径向充磁的磁化方向长度沿转子圆周各点相等，而平行充磁的磁化方向长度在永磁体中心线处与径向充磁相等，左右两边呈先增大后减小的趋势。其磁化方向的结构如图1所示。

图1两种充磁方式磁化方向对比

2永磁电机有限元磁场分析

为建立永磁同步电机的磁场分布微分方程，确定合适的求解区域和边界条件，对求解模型作出如下假设[7-8]：

(1) 为了节省计算时间，采用二维有限元的分析方法，并且忽略端部漏磁的影响。

(2) 分析气隙磁场时，忽略磁滞和涡流损耗的影响。

(3) 电机的磁场仅限于定转子内部，定子外径及转子内部认为是零磁位线。

(4) 对于导线的涡流反应忽略不计。

基于以上的假设，电机的有限元分析模型，可表示成磁场的边值问题：

(1)

式中：υ为磁阻率；J为等效电流密度。

分了分析的方便，式(1)可等效为变分问题：

(2)

同时，为了保证模型分析的准确性，保证两种充磁方式下，电机的结构尺寸与永磁体材料的尺寸相同，电机采用24槽4极的结构，见表1。

表1电机的主要参数

根据表1提供的数据，建立电机的有限元分析模型，分析在不同充磁方式下永磁电机的磁场分布情况。两种充磁方式下，电机的空载磁力线度分布图如图2与图3所示。

图2平行充磁磁力线分布图

图3径向充磁磁力线分布图

由图2与图3可知，电机磁场分布均匀，磁力线分布情况与图1中永磁体充磁方向一致，设计合理。相比较平行充磁的电机，径向充磁的电机的漏磁现象更严重，电机漏磁系数较大。

径向充磁结构沿着转子半径方向，磁密逐渐增加，在永磁体内径处达到最大，故转子轭部易发生磁路饱和的现象；而平行充磁的电机永磁体内部磁密近似均匀，转子轭部不易产生局部饱和的现象。

2.1气隙磁场对比

保持内转子永磁电机的尺寸相同，电机的材料相同，得到两种不同充磁方式下电机的气隙磁密，如图4所示。

图4气隙磁密分布图

由图4 可知，采用平行充磁的方式时，磁密幅值较大，波形接近正弦波，比较适用于永磁同步电机；而采用径向充磁的方式时，磁密幅值小，波形接近矩形波，适用于永磁无刷直流电机。波形的畸变是由于定子开槽引起的谐波含量的增加。

2.1.1磁极数对气隙磁密的影响

气隙磁密的大小不仅受永磁体充磁方式的影响，也受电机其他参数的影响，如磁极数、气隙的长度、永磁体的尺寸等[9-10]。

保持电机的定转子内外径不变，材料的属性不变，得到两种不同充磁方式下，电机的气隙磁密平均值随磁极数的变化见表2。

表2气隙磁密随极对数变化

由表2可知，随着极对数的增加，无论是平行充磁还是径向充磁，气隙磁密均呈先增大后减小的趋势。当磁极数大于等于4时，平行充磁的气隙磁密大于径向充磁；当极对数为2时，平行充磁的气隙磁密小于径向充磁。

2.1.2永磁体厚度对气隙磁密的影响

保持电机的磁极数不变，仅改变表贴式永磁电机的永磁体厚度，研究不同充磁方式下，永磁体厚度对气隙磁密的影响，如图5所示。

图5不同充磁方式气隙磁密随永磁体厚度变化

由图5可知，随着永磁体厚度的增大，对于径向充磁，气隙磁密均呈先增大后减小的趋势，且趋势较明显；对于平行充磁的电机，随着永磁体厚度的增大，气隙磁密先增大后接近不变，但较径向充磁，其均值较大。因此，对于内转子电机，在永磁体厚度较大时，可采用平行充磁的方式来提高永磁体的利用率。

2.2齿槽转矩对比

齿槽转矩对电机的运行及噪声产生较大的影响，较小的齿槽转矩不仅可以减小电机的转矩脉动，提高电机的运行性能，也可以使得电机运行过程中的噪声更小，运行更加平稳[11-12]。确定零激励的条件，得到两种充磁方式下电机的齿槽转矩波形如图6所示。

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图6齿槽转矩波形图

由图6可知，平行充磁的永磁电机的齿槽转矩大约为0.5 N·m，而径向充磁的永磁电机的齿槽转矩大约为0.8 N·m。采用平行充磁的方式使得电机的运行更加平稳，噪声更小。

3电机的损耗分析

对于永磁电机而言，交变的磁通使得铁磁材料产生损耗，称之为铁损耗。为了分析永磁电机的铁损耗，通常需要建立铁耗的分析模型，其模型的建立多种多样，应用最广的为意大利专家Berttotti提出的一种铁损耗分离的计算方法，其计算模型为：[13-15]

p=pc+pe+ph=kcf2B2+kaf1.5B1.5+khfBα

(3)

式中：f为频率，B为永磁电机的磁密，kc、ka、kh为与铁磁材料相关的涡流、附加及磁滞损耗系数。

由式(3)可知，铁耗的准确计算取决于磁密的准确计算以及铁耗系数选取的准确性。本文采取最小二乘法拟合多频率下的B-P曲线，得到与铁耗相关的系数。其计算公式：

(4)

对式(4)的各未知数进行偏导数为0的求解，会得到一个三元一次的方程组，求解该方程组即可得到铁耗的三个系数，得到铁耗的相关系数见表3。

表3铁耗相关系数的拟合值

根据确定的损耗系数，建立电机的损耗有限元分析模型。为了模拟电机的实际工况，利用联合仿真的方法，建立Mawell-Simplorer联合仿真模型，给定额定激励，分析电机额定运行时的铁损耗分布情况。由于本文采用的电机模型非高速电机，不必考虑肌肤效应的影响，得到额定运行条件下，两种充磁方式下，电机的损耗波形图如图7所示。

图7定子铁芯铁耗波形图

由图7可知，在额定励磁的条件下，相同电机的尺寸条件下，采用径向充磁的方式电机的铁损耗大约为24 W，而采用平行充磁的方式电机的铁损耗大约为19 W，损耗降低了20%左右。

4结论

本文以24槽4极永磁同步电机为例，研究平行充磁与径向充磁两种充磁方式对电机电磁性能的影响，得出：

(1) 对于内转子电机，永磁电机磁极数大于2时，采用平行充磁，气隙磁密更大。

(2) 相比较径向充磁永磁电机，平行充磁的齿槽转矩更小，电机的噪音更小。

(3) 平行充磁的内转子永磁电机的铁耗更小，电机的效率更高。

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Analysis of the Effect on the Electromagnetic Properties of the Inner Rotor Permanent Magnet Synchronous Motor by Magnetic Steel Magnetizing Method

WANGChen1,CAOGuanghua1,ZENGJian2

(1.Department of Electrical Engineering, Anhui Technological College of Machinery and Electricity Engineering,Wuhu 241000, China; 2.School of Electrical Engineering and Automation, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China)

The inner rotor surface permanent magnet synchronous motor(SPMSM) is widely used in industrial robots, machine tools and other fields for its many advantages such as high efficiency, small size, high power density, ect. In this paper, based on the analysis of radial and parallel magnetization magnetizing principles, taking the 24 slots 4 pole permanent magnet synchronous motor for example, and using the finite element analysis method, the two kinds of magnetizing models of parallel magnetization and radial magnetizing are established. The effects of two kinds of magnetizing on electromagnetic properties are researched, then the effects of the number of poles and the permanent magnet's size on gap magnetic field are given. The study shows that permanent magnet synchronous motor (the number of pole pairs is greater than 2) have the greater flux density, smaller motor cogging torque, less iron losses and better operation performance with the method of parallel magnetization.

magnetization methods; inner rotor; loss; cogging torque

2016-04-25

安徽省教育厅科研基金项目(kj2016A128)

王 晨(1987-),安徽桐城人,讲师,硕士,主要从事永磁电机设计与分析方面的研究,(E-mail)wangchen1071@163.com

1673-1549(2016)04-0031-04

10.11863/j.suse.2016.04.07

TM301.4

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