五種拓撲結構的永磁同步電動機性能分析與比較
王艾萌，盧偉甫
(華北電力大學，河北保定071003)
摘要：優化設計了五種不同轉子拓撲結構的永磁同步電動機，對這五種永磁同步電動機的參數、電機特性以及弱磁性能進行了分析比較研究，并且對其中一種結構的內置式永磁同步電動機進行了測試驗證。
關鍵詞：永磁同步電動機；拓撲結構；弱磁調速；有限元分析
中圖分類號：TM341 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)04—0020—04
O引 言
隨著汽車工業的發展，能源和環境問題的日益突出，低耗、高效已經成為現代汽車發展的根本要求。汽車電機要求高起動轉矩，能夠在一個很寬的速度范圍內保證恒功率輸出，此外還要考慮到空間狹小等的限制。永磁電機以其效率高、功率密度高、體積小、重量輕，具有弱磁擴速潛力等諸多優點，成為電動汽車驅動電機的理想選擇[1-3]。通過對永磁電機優化設計，可以使電動機的恒功率運行范圍擴大，特別是永磁轉子結構的不同對電機特性的影響已有研究[4-6]，文獻[4]總結了各種不同永磁轉子拓撲結構的性能比較，包括表面式、內置式單層、雙層及多層永磁轉子的特點。本文對五種永磁轉子結構的永磁同步電動機進行了優化設計和有限元分析，結果對比說明了五種不同結構的特點及性能。
1永磁同步電動機的拓撲結構和優化設計
永磁同步電動機轉子磁路結構不同，電動機的運行特性、控制系統等也不同。根據永磁體在轉子上的位置不同，永磁同步電動機主要分為表面式和內置式。在表面式永磁同步電動機中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的外表面上，這種電機的重要特點是直、交軸的主電感相等；而內置式永磁同步電動機的永磁體位于轉子內部，永磁體外表面與定子鐵心內圓之間有鐵磁物質制成的極靴，可以保護永磁體。
使用Anson有限元分析軟件創建永磁同步電動機二維有限元瞬態模型，其基本參數如表l所示，空載磁力線分布圖如圖1所示。
2五種拓撲結構的性能比較
2．1轉子永磁體參數比較
如圖l所示，根據永磁體的形狀和位置，將五種拓撲結構分別命名為表面式、傳統內置式、分段內置式、v型內置式和w型內置式五種拓撲結構的基本參數都相同，不同的是每極轉子永磁體的參數，如表2所示。
可見，內置式需要的永磁體較表面式少。因為內置式由于磁路不對稱，有磁阻轉矩產生，所以相對于表面式，在產生相同的輸出轉矩時，內置式用的永磁體量要少。
2．2空載反電動勢和脈動轉矩的比較
轉矩波動主要由齒槽轉矩和脈動轉矩兩部分組成。齒槽轉矩是永磁電機繞組不通電時永磁體和鐵心之間相互作用產生的轉矩，會導致電動機產生振動和噪聲。而常用消除齒槽轉矩的方法有定子斜槽、轉子斜極、減小定子槽口寬度、改變極弧系數等。定子斜槽在理想情況下可以完全消除齒槽轉矩并且簡單易行，因此得到廣泛應用。本文的模型都是基于斜槽后的模型，因此齒槽轉矩可以忽略不計。
脈動轉矩定義為在一個周期內****轉矩與最小轉矩之差與平均轉矩之比。脈動轉矩主是由于感應電動勢諧波和定子電流的諧波相互作用產生的諧波轉矩，因此在電機設計過程中，應當盡量消除諧波。感應電動勢的諧波主要與永磁體產生的勵磁磁場在空間中的分布和繞組設計有關。為了減小脈動轉矩，永磁體產生的勵磁磁場在空間中的分布應盡可能按照正弦規律分布[7]。
對空載反電動勢進行諧波分析，比較結果如表3所示。結果表明，表面式諧波含量****，分段內置式和w型內置式的電壓諧波畸變率都比傳統內置式的低，即諧波含量少，而v型內置式的諧波含量相對較大。
相應的額定電流下脈動轉矩比較如圖3所示。
可見，表面式脈動轉矩最小，分段內置式和w 型內置式的脈動轉矩比傳統內置式的小，而V型內
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