摘要：雙凸極永磁電機轉子結構簡單，其參數變化對電機的運行性能影響很大。通過有限元計算和仿真，分析了轉子極弧寬度和斜槽角度對電機磁鏈、反電勢及電感等靜態特性的影響。
樣機測試結果驗證了理論分析的正確性。
關鍵詞：雙凸極；永磁電機；轉子極弧；轉子斜槽；磁鏈；反電勢；電感；有限元分析；實驗引 言雙凸極永磁電機(簡稱DSPM電機)是結構簡單的開關磁阻電機和高性能的永磁電機有機結合體，具有獨特的結構和優良的電氣性能。其主要優點是結構簡單、工作可靠、功率密度高、效率高，具有廣闊的應用前景。DsPM電機定、轉子均為凸極結構。根據運行原理，永磁體可安裝于定子(稱為定子永磁型)或轉子(轉子永磁型)，但永磁體置于轉子時將使轉子沖片被分割成多部分，難以形成堅固的整體，使轉子制造困難且不適宜高速運行，故一般將永磁體置于定子上。
定子上裝有集中繞組。一般定子極弧為定子極距的一半，使得電機在任意位置時每相的定、轉子重疊角之和為常數，理論上可以使永磁體的工作點恒定，減小永磁電機的定位力矩。相對于定子參數，轉子的參數較多，如轉子的極數、極弧寬度、斜槽角度等，這些參數對電機性能有顯著影響向。本文以12／8極DsPM電機為研究對象，討論轉子相關參數對電機特性的影響。
轉子極數根據電機的運行原理，電機的相數m、定子極數ps和轉子極數pr之間應滿足下列關系：
為減小電機鐵耗以及主電路功率管開關損耗，應減小轉子極數pr，故轉子極數通常小于定子極數。為防止電機結構的不對稱，導致轉子磁拉力，定、轉子極數一般為偶數。為使電機具有自起動能力，定子相數應大于或等于3。最常見的電機的定、轉子極數是6／4極、8／6極等組合。定子徑向相對極上的繞組串接或并接形成一相，因此電機的相數可表示為：
在低速、高轉矩時，可以采用重復形式，如／8極、16／12極等，此時，式(2)可表示為：
三相12／8極電機與6／4極電機相比，在定子和轉子完全對齊位置，若氣隙磁密不變，每極磁通將隨定子極寬的減半而減半；且定子軛部磁路變短，軛部磁壓降和定子鐵耗將減少。因此12／8極電機可以獲得更高的功率密度。極寬的減小也縮短了定子繞組端部的長度，減少繞組的用銅量，降低定子銅耗，故本文將以12／8極DsPM為主進行分析討論。
由于電機結構對稱，因而永磁磁鏈或電感等參數都具有周期性，周期θP為：
從式(4)可看出，當轉子轉過θP機械角后，即轉過了360°電角度。從這個意義看，轉子極數相當于傳統電機的極對數。
轉子極弧寬度．1轉子極寬對氣隙磁密的影響為提高電機的功率密度，DsPM電機的定、轉子磁極磁路通常處于飽和狀態。對定子極數多于轉子極數的電機，轉子極寬一般不會小于定子極寬；若轉子極寬過小，雖可以獲得較大的氣隙磁密，但反電勢的持續時間變短，電機將不能獲得良好的性能；若轉子極寬過大，由于邊緣效應，導致在定、轉子極問漏磁增大，如圖l所示，不利于電機的運行；假定定子不變，改變轉子極寬，氣隙磁密將隨之改變。圖2給出了轉子極寬分別為°、18°、23°時的氣隙磁密。可見隨著轉子極寬的增大，氣隙有效磁密相應減小。
轉子極寬對感應電勢的影響由于氣隙磁密隨轉子極弧的增加而減小，必將導致定子繞組****磁鏈減小。該位置出現在定、轉子極完全對齊處，即θ=22．5°附近，如圖3所示。
而定、轉子極非完全對齊位置附近的最小磁鏈變化很小、，因此在同一轉速下，磁鏈的變化必將使相繞組電勢也發生變化。圖4所示為三種不同極寬的轉子在1 500 r／min時的反電勢仿真波形。可以看出電機的反電勢隨著轉子極寬的增大而減小.
．3轉子極寬對電感的影響電機電感不僅是轉子位置角的函數，由于磁路飽和的影響，轉子極寬也會導致電感的變化。
圖5給出了轉子極寬對電機電感的影響。當轉子極寬增加時，磁路磁導也隨之增大，因此自感和互感均有所增加。
一般來說，轉子極會比定子極略寬一些，這樣可確保電樞繞組從正電流到負電流的順利換向，并且可有效減小轉矩脈動；作發電機時，可以減小輸出電壓的紋波。經對不同轉子極寬分別進行有限元分析仿真，發現當定子極寬為15°、額定轉速為1 500 r／rain時，轉子極寬為18°時的特性較好。
轉子斜槽角度由于電機定、轉子均呈雙凸極結構，運行時存在相對較大的轉矩脈動。定子或轉子斜槽可有效減小轉矩脈動。對定子永磁型電機，因轉子無繞組和永磁體，一般采用轉子斜槽較方便。斜槽后電機的磁鏈和反電勢等特性均發生明顯變化，可有效改善感應電勢的波形，甚至獲得近似正弦波反電勢。
轉子斜槽后，同一個定、轉子齒下的重疊面之和沿軸向將依次相差一定的角度，無法直接使用2D有限元方法進行分析。但對于一個軸向長度為L的電機，可考慮將非斜槽轉子電機沿軸向等分薄片，當Ⅳ足夠大時，每個薄片可近似認為磁場沿軸向不變，因此每個薄片仍可按2D有限元考慮。根據2N個2D有限元分析結果求取磁鏈的平均值，計算斜槽轉子電機的磁鏈方程： 
轉子斜稽后會使相鄰定、轉子極產生一定的重疊，使得定、轉子完全對齊位置的磁鏈減小，非對齊位置的磁鏈增加，如圖6所示：由于斜槽后一個周期內磁鏈變化的減小使反電勢下降，磁鏈變化率的改變使反電勢波形得以改善，如圖所示
。
設計電機斜槽角度，應視具體應用場合而定。作發電機運行時，其有效值隨斜槽角度的增加而減小，但是可以獲得較好的波形。對不同斜槽角仿真表面，斜槽角δ=15°的反電勢波形已經接近正弦波了。作電動機運行時，轉矩脈動隨斜槽角度的增加而減小，但其平均輸出轉矩減少了。
試驗結果為了對理論分析結果進行驗證，加工了兩臺樣機，一臺為直槽轉子，一臺為斜槽15°轉子，如圖8所示。兩臺樣機的定子完全相同。圖9為兩臺樣機空載反電動勢實測波形。和圖7的仿真波形相比較，可知轉子斜槽后反電勢的有效值雖然略有減小，但波形得到改善，從而可以減小轉矩脈動和齒槽轉矩。 
結論定子永磁型雙凸極電機轉子上無繞組，無永磁體，結構簡單，但轉子參數對電機的運行性能有很大的影響。本文研究了定子永磁型雙凸極電機一些轉子關鍵參數對電機靜態特性的影響。通過有限元計算和仿真，分析討論了轉子極弧寬度和斜槽角度對電機磁鏈、反電勢及電感等靜態特性的影響。分析結果表明，樣機轉子極寬18°時靜態特性較好，斜槽角15°時反電勢波形較為理想，試驗測試結果驗證了理論分析的正確性。
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