一种最大化平均转矩最小惯性永磁电机设计_王双成.pdf

2023.04.DQGY 53PRODVCT AND TECHNIC产品与技术CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY的惯性。对于本文设计的永磁电机，通过在转子中设置气隙或改变磁体跨度，可以减小惯性，从而实现最高的性能比。但如果在转子上设计不当的孔，转子的磁路将受到干扰，从而导致平均转矩的降低。因此，需要使用Magnet来比较气隙和磁体跨度的不同模型。此外，永磁材料是宝贵的，在设计磁跨度时应考虑效率和经济性。磁体跨度越大，需要的永磁材料就越多。应选择永磁材料，使电机具有高性能，同时价格合理。1 设计条件需要设计10极12槽永磁电机，以实现最大平均转矩和最小惯性。任务目标是获得最高的性能比（PR）：设计变量的限制如下：1）磁跨度不得小于100kWh。2）表贴磁体边缘的磁体厚度固定为4mm。3）最小气隙长度为0.5mm（转子与定子之0 引言永磁电机通常是指一种使用永磁材料作为励磁电源来提供动力的电机。它们具有许多优点，如高转矩密度和高效率。此外，新型磁体材料解决了永磁电机的技术问题。因此，近年来，永磁电机被广泛应用于许多领域，从小型玩具到工业、医疗和航空航天1。本文介绍了一种10极12槽表贴式永磁电机的设计，以实现最小惯性下的最大平均转矩。通过改变设计变量，可以得到不同的结果，并从中选择最佳的模型。为了使研究结果更定量、更直观，使用性能比（PR）来描述平均转矩和惯性之间的关系。一旦获得最高PR，就可以优化其他变量以获得最高的优化性能比（OPR）。本文中的电机模型将具有最高的OPR，这意味着能以最小的惯性产生最大的转矩。电机的加速或减速与其转矩和转子的惯性有关。因此，为了实现最高性能，找到具有最小惯性的最大平均转矩是有意义的。电机的惯性与电机中心和运动轴之间距离的平方值成正比2。当移除部分转子重量或远离旋转轴的转子时，可以减少更多王双成（中海油研究总院有限公司）一种最大化平均转矩最小惯性永磁电机设计摘要：本文设计了一种10极12槽表贴式永磁电机，其研究目的是在尽可能减小惯性的同时实现最大平均转矩。由于电机的惯性随电机转子的气隙和磁体跨度而变化，因此设置性能比（PR）以完成电机平均转矩和惯性的比较，然后在两者之间找到平衡。使用Magnet软件构建电机模型，通过改变转子的气隙和磁体跨度，可以得到不同的结果。通过比较，可以获得最佳的优化性能比（OPR），这意味着能以最小的惯性产生最大的转矩。关键词：表贴式永磁电机；最大平均转矩；最小惯性电器工业202304设计排版.indd 612023.4.25 11:39:57 AM2023.04.DQGY 54PRODVCT AND TECHNIC产品与技术CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY间）。4）对转子形切口气隙没有限制，但必须在实践中实现。此外，转子表面最小间隙必须为1.5mm。5）转子磁体总质量不得超过300g。获得最高PR后，需要以最佳PR优化电机，以实现最高优化性能比（OPR）：为了获得最高的OPR，可以优化以下参数，如磁体形状、槽开口、尖端厚度、齿厚、芯背厚度、相移等。2 主要设计参数2.1 转子拓扑结构（1）不同类型电机拓扑的优缺点在文献3中，介绍并讨论了六种不同类型的永磁电机拓扑结构。图1显示了六种永磁电机拓扑结构。第一种是表贴式，它是非凸形的，通过在磁体段之间使用铁极，可以转换为嵌入式永磁电机设计。然后是轮辐式，它具有高PM转矩，因为径向磁体提供了通量集中效应，但其磁阻转矩相对较低。单势垒拓扑是永磁转子的一种非常简单的设计，它的磁体转矩和磁阻转矩都可以达到理想值，因此，它的弱磁性能是可以接受的。在第五种拓扑中，随着势垒数量的增加，多重势垒、凸极比和磁阻转矩都会增加，但需要更多的机械复杂性。轴向层压拓扑可以实现最佳的显著性比，因为它具有大量的势垒，同时缺乏机械结构性，不太适合大规模生产4-5。（2）嵌入式和表贴式永磁电机的优点和缺点在表贴式永磁电机中，磁体通常呈瓦片形状，位于转子铁心的外表面，该电机的一个重要特点是在直流或交流电源下主电感相等。表贴式永磁电机也称为永磁转矩电机，与嵌入式永磁电机相比，其弱磁转速范围小，功率密度低。表面机械具有快速的动态响应，并有望获得低转矩波动。对于嵌入式，永磁体位于转子内部，表面和定子内圈之间有极靴，极靴由铁磁材料制成，可以保护永磁体。嵌入式永磁电机的一个重要特点是主电感在交直流轴上不相等。它也被称为混合永磁磁阻电机。它在永磁转矩的基础上增加了磁阻转矩，磁阻转矩有助于提高电机的过载能力和功率密度，也使弱磁转速容易变化，扩大了恒功率运行范围6。在参考文献的基础上，可以得出表贴和嵌入式永磁电机的结论。嵌入式可以增加磁通密度或凸极比，这可能导致一些凸极转矩。此外，表贴式的电机相对更简单，效率更高，损耗更低。因此，本文决定采用表贴式转子设计。2.2 磁性材料（1）不同种类的磁性材料磁性材料大致分为两类：软磁性材料和硬磁性材料。软磁材料可以用于强度相对较低的磁场中，在去除外部磁场后保持较低的剩磁。软磁材料的矫顽力为4000.16A，主要应用于任何场合，包括改变磁感应强度。硬磁性材料是一种在外磁场作用下能保持大量剩磁的材料。磁性材料的典型矫顽力值为101000kA，具有较高值的硬磁性材料称为永磁材料，主要用于感应磁场7。磁性材料的磁导率、矫顽力、磁损耗、剩磁和磁稳定性是结构敏感性，其性能可由工程控制（包括机械加工和热处理）。目前，磁性材料的研究方向主要是软磁性材料、硬磁性材料、材料力学和电图1 永磁电机拓扑结构电器工业202304设计排版.indd 622023.4.25 11:39:58 AMPRODVCT AND TECHNIC产品与技术CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.04.DQGY 55子磁性材料。在文献8中，作者给出了相的固有性质的结论。然后，根据目前商业使用的两种方法，作者讨论了实际生产的Nd-Fe-B磁体的性能。最后，他们给出了Nd-Fe-B在演化永磁体中非常高的评价。在文献9中，介绍了Nd-Fe-B磁体的新技术、市场和未来前景。永磁体用于激励永磁电机中的磁场。下面讨论四种不同磁性材料的一些优点和缺点。首先是钕铁硼，它的残余磁通密度非常高，但它的最高工作温度在100200之间。它还具有高成本但低可用性。然后是铁氧体，这种材料成本低，但也产生低的残余通量密度。第三种是钐钴，它具有高残余通量密度和高温操作等优点，唯一的缺点是成本高。最后一种是铝镍钴合金，虽然它的成本不高，但它产生的残余磁通密度很高，但很容易消磁，所以现在很少使用这种材料。由于每种磁性材料都有优点和缺点，在文献10中，介绍了一种未来的材料，还对SMC的特性、磁性、研究工艺和应用进行综述。（2）B-H曲线文献10中介绍了B-H曲线。B-H曲线是描述各向同性软磁材料的B-H关系的单平均磁化曲线。在软磁性材料中，磁场H的磁通密度B由所存储的共能密度相对于H分量的导数给出。任何非线性单值张量磁导率都可以通过很少的计算得到，并且存储紧凑。作为H空间中位置的函数，它存储共能密度。在对偶形式中，关于B的分量，可以通过微分存储的能量密度来找到H。2.3 绕组设计/类型在文献11中，给出了具有三种典型槽和绕组类型的永磁电机模型。评估了它们的优点和缺点，然后评估了它们在电动汽车等应用中的适用性。可以从下表了解到10极12槽永磁电机的绕组设计，并且还知道10极12槽永磁电机拓扑具有无重叠绕组、高绕组系数和低齿槽等优点。这种绕组配置更适合于最大速度低且高铁损的缺点不太明显的轮内电机应用。因此，它被广泛应用于表贴式永磁电机的设计中。线圈绕组如图2所示。表 三种典型绕组类型的永磁电机优缺点 类型 优点 缺点 10极 短端绕组 高铁耗 12槽 高铜填充系数 低效率 低制造成本 低磁阻转矩比 低转矩脉动 8极 良好的能源效率 巨大的转矩波动 12槽 短端绕组 高铜填充系数 低制造成本 良好的磁通削弱能力 8极 高效率 长端绕组 18槽 低转矩脉动 高制造成本 高磁阻转矩比 良好的磁通削弱能力 图2 线圈绕组3 电机设计模型3.1 基本值计算首先，在开始建模之前，进行一些计算，以获得以下基本值（见图3）。在电机设计中选择双层绕组，平衡三相槽绕组的布置如图4所示。3.2 设计模型设计模型如图5所示，电机设计参数如下：定子轮齿12；电机长度50mm；定子内径 76mm；峰值电器工业202304设计排版.indd 632023.4.25 11:39:58 AM2023.04.DQGY 56PRODVCT AND TECHNIC产品与技术CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY电流20A；定子外径160mm；机械速度 1200rpm；轴 直 径 2 0 m m；反 电 动 势 5 0 V r m s；最 小 气 隙0.5mm；圈数76；槽开口5mm；定子槽12；尖端厚度1.5mm；极数10；底座厚度4mm；芯背厚度10mm；齿厚度5mm。完成具有5个磁极和6个插槽的半模型的构建，如图6所示。由于电机的惯性随电机转子的气隙和磁体跨度而变化。通过在转子中设置气隙或通过改变磁体跨度来减少惯性，使转子远离旋转轴，从而减轻转子的部分重量。气隙的形状和大小决定了惯性，但它们同时影响电机磁路循环，从而影响平均转矩。气隙的形状通常为三角形、扇形和五边形。此外，由于磁跨度的增加，磁体的质量和惯性也会增加。找到一个气隙和磁跨度的相同值，得以在最小惯性前提下实现最大平均转矩。4 结束语本文首先简要介绍了永磁电机的背景，包括永磁电机现状、优点和广泛应用，还包括其发展前图3 跨度示意图图5 设计模型图6 建模图4 绕组布置1-2-78电器工业202304设计排版.indd 642023.4.25 11:40:00 AM2023.04.DQGY 57PRODVCT AND TECHNIC产品与技术CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY景。然后详细说明了设计条件，并给出了PR和OPR参数。接下来设计参数选择是本文的核心部分。首先，将重点放在转子拓扑上，讨论不同类型的机器拓扑的优缺点，主要关注表贴式和嵌入式永磁电机。经过比较，决定采用表贴式的电机设计。之后讨论了不同种类的磁性材料以及软磁性材料和硬磁性材料的特点，并确定本文电机的绕组设计。最后，计算永磁电机一些基本值，并完成电机模型的构建。通过一些操作，例如改变转子的气隙和磁体跨度，可以得到不同的结果。通过比较，可以以最小的惯性获得最大的平均转矩。参考文献1 Song W，Ertugru l N.Field-Weakening Performance of Interior Permanent-Magnet Motors J .IEEE Transactions on industry applications，2002，38（5）：1251-12582 Theodore Wild.Electrical machines，drives，and power systems，6th，International editionM Upper Saddle River，N J：Pearson/Prentice Hall，2006：55573 Soong W L，H an S，Jahns T M.Design of Interior PM Machines for Field-Weakening Applications C ICEMS，2007：654-6644 WANG Aimeng，LU Weifu Performance Analysis and Comparison of five PMSM Topologies A TM341 1004-7018（2010）04-0020-04.5 Alan G Jack，Barrie C Mecrow，James A Haylock.A comparative study of permanent magnet and switched reluctance motors for high performance fault tolerant applicationsC IAS 95.Conference Record of the 1995 IEEE Industry Applications 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