考虑磁桥非线性的内置式永磁...机空载电磁性能通用解析模型_李世奇.pdf

2023 年3 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.6 第 38 卷第 6 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220486 考虑磁桥非线性的内置式永磁同步电机 空载电磁性能通用解析模型 李世奇 佟文明 贾建国 唐任远（沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心 沈阳 110870）摘要 该文提出一种将子域法及等效磁路法相结合的新型解析模型，可在计及磁桥饱和的情况下，计算具有任意极槽配合的 V 型/U 型/一字型内置式永磁电机的空载电磁性能。建模时首先根据转子结构将永磁体进行等效，以便于各子域的建立；为了考虑转子磁桥处的饱和，采用等效磁路法来计算磁桥处的磁导率，以便于相应子域边界条件方程的建立。电机无槽时的空载气隙磁通密度分布可以通过求解各子域交界面处边界条件方程组得到，然后通过保角映射的方法可考虑定子开槽的影响。该文所提模型可用于计算内置电机的空载气隙磁通密度分布、反电动势及齿槽转矩。将模型计算结果与实验测试及有限元计算结果进行对比，验证了所提出模型的有效性。与有限元法相比，该文所提模型具有建模速度快、耗时短，同时可达到近似精度的优点，这为相关电机的初始设计及优化带来了方便。关键词：内置式永磁电机 子域法 等效磁路法 磁桥饱和 中图分类号：TM351 0 引言 相比于表贴式永磁电机，内置式永磁电机（简称内置式电机）由于具有高功率密度、宽速度范围和高磁阻转矩等特点，被广泛用于工业场合与智能家居1-3。电机精确的磁场计算是预测其电磁性能和判断设计合理性的前提4。目前，计算永磁电机磁场的方法主要包括有限元法与解析法。有限元法可精确地预测出电机的磁场分布，但由于内置式电机转子结构复杂多变，加上计算时需要高精度的网格，这导致有限元法的计算时间较长，不利于电机的初始设计5-6。解析法是快速准确计算电机磁场分布的有效工具。已有国内外学者提出了几种预测永磁电机磁场分布的解析方法，例如，基于拉普拉斯-泊松方程的子域法7-13、基于磁通管理论的等效磁路法14-20，以及基于绕组函数理论的解析方法21-22等。子域法是一种通过不同子域之间的边界条件求解每个子域的场控制方程的方法。1993 年，Zhu Zhiqiang 教授在文献7-8中首次提出了这种方法来计算表贴式永磁电机的磁场分布；基于该方法，文献9中计算了轴向磁通永磁电机的磁场分布；考虑到内置式电机转子结构变化引起的边界条件变化，参考文献10-13中分别计算了表面嵌入式永磁电机、V 型内置式电机、U 型内置式电机以及切向式电机的空载气隙磁场。然而，上述文献应用子域法计算电机磁场时忽略了铁心饱和的影响，这将导致计算结果与实际情况间存在误差，尤其是对于磁桥严重饱和的内置式电机。为了考虑铁心饱和的影响，一些学者采用等效磁路法来计算永磁电机的气隙磁场分布。文献14-15中采用三维等效磁路法分别计算了直线电机与轴向磁通电机的气隙磁场分布。文献16-20通过等效磁路对不同转子结构的内置式电机的气隙磁场进行了计算。然而，等效磁路法的计算精度取决于划分节点的数量，节点过少会导致计算精度降低，节点过多会使计算更加复杂，增大计算时间。此外，由于定转子相对位置的变化，气隙中各节点的连接关系在不同时刻需要重新设置，这将导致计算进一 辽宁省“兴辽英才计划”（XLYC2007107）和辽宁省百千万人才工程资助项目。收稿日期 2022-04-02 改稿日期 2022-05-12 1422 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 步复杂化。文献21-22中将绕组函数与等效磁路法相结合，可在考虑铁心饱和的情况下快速计算内置式电机的电枢磁场分布，节省了计算时间，但该方法只能得到电机的径向气隙密度，无法计算切向气隙磁通密度。为了在内置式电机磁场分布的计算精度与计算时间上达到一个平衡，参考文献23-25提出了一种改进的模型，可在考虑铁心饱和的情况下预测切向式永磁电机的气隙磁场分布。但是这种解析模型仅适用于切向式电机，由于转子结构的不同会使边界条件方程发生变化，故该模型不适用于求解其他类型的内置式电机气隙磁通密度。文献26-27分别使用混合模型获得了多层及 V形内置式电机的气隙磁场分布。文献28中提出一种将内置式电机等效为表贴式电机的解析模型，可对切向式、一字型、V 型内置式电机的空载磁场进行计算。但是上述模型在计算过程中，无论磁桥尺寸为何，均认为磁桥磁通密度为一恒定值，这会给计算结果带来误差。考虑到磁桥磁通密度随其尺寸的变化，文献29将 V 型内置式电机分为两种结构，并将两种结构的磁场叠加得到了 V 型电机的气隙磁场，但合成磁场的谐波含量与有限元结果不同，使计算的空载性能产生误差。本文在文献29中模型基础上进行改进，提出了一种结合子域法及等效磁路法的新型通用解析模型。该解析模型可在考虑磁桥非线性的情况下，直接计算具有任意极槽配合的 V 型/U 型/一字型内置式电机空载气隙磁场，计算结果无需叠加，在保证模型通用性情况下进一步提高计算精度。为便于子域的建立，文中将不同转子结构的电机进行相应的等效，这种等效为分析其他具有不规则永磁体排布结构的内置式电机提供了思路；模型计算时通过局部等效磁路来计算磁桥处的磁导率，以便于相应子域边界条件方程的建立，进而考虑磁桥非线性的影响。将所提模型计算结果与实验测试及有限元结果进行了对比，验证了所提出模型的有效性。1 建模假设及电机不同拓扑等效过程 本文在建模时做出如下假设：（1）忽略定子铁心及转子除磁桥外铁心的饱和，仅考虑磁桥处的饱和，并认为其饱和程度均匀。（2）忽略端部效应。（3）电枢绕组开路，电机磁场仅由永磁体激励。不同内置式电机的拓扑及其等效结构示意图如图 1 所示，图中将等效后的永磁体及空气区域分为径向结构与切向结构，并给出了转子的主要尺寸参数。模型建立在 r 坐标系中，规定逆时针方向为电机旋转的正方向。（a）V 型内置式电机及其等效结构 （b）U 型内置式电机及其等效结构 （c）一字型内置式电机及其等效结构 图 1 不同永磁体结构内置式电机拓扑及其 等效结构示意图 Fig.1 Topology of interior permanent magnet motors with different magnet structure and its equivalent schematic diagrams 本文将永磁体与转子外径间的磁桥称为磁桥1，将相同极性永磁体间的磁桥称为磁桥 2。各拓扑结构在等效时保证永磁体的厚度及跨度角不变。根据总磁通不变原理，对于 V 型电机可建立 mx1fb22xlf1m1l1222=2=2llRwwlRRwhRw=+=（1）进而得到，V 型拓扑中 Rf表达式为 b2ml12fml12=12wlRwwRhRw+（2）式中，hm与 lm分别为永磁体的厚度与宽度；Rl为磁桥 1 内半径；w1为永磁体与磁桥 1 间空气宽度；w2为永磁体与磁桥 2 间空气宽度；为磁极跨度角；Rf为等效后切向结构外半径；lx为等效后径向结构 第 38 卷第 6 期 李世奇等 考虑磁桥非线性的内置式永磁同步电机空载电磁性能通用解析模型 1423 中永磁体的宽度；与1分别为等效后径向及切向结构跨度角；wb2为磁桥 2 的宽度。根据总磁通不变原理，对于 U 型电机有 m1m2x1fxlf1122(2)=2lllRlRRw+=+=（3）进而得到，U 型拓扑中 Rf表达式为 m2m11lf2=12llwRR+（4）式中，lm1与 lm2分别为 U 型电机等效前永磁体径向及切向的宽度。根据总磁通不变原理，对于一字型电机有 m1f2b212(2)2=2lRww=+（5）进而得到，一字型拓扑中 Rf表达式为 b2m2f2=2wlwR+（6）可以发现，图 1 中各电机等效后的拓扑均具有磁桥结构、径向结构（径向永磁体或空气区域）与切向结构（切向永磁体或空气区域），本文针对以上三种等效拓扑结构，提出一种通用解析模型，对电机的空载电磁性能进行计算，模型建立时为便于各子域及其相应边界条件的建立，做出如下简化：电机径向结构均为永磁体，其宽度为 RlRf；切向分布结构均为永磁体，其跨度角为1+2，忽略磁桥 2的存在。所提出的通用解析计算模型如图 2 所示（后文称之为简化结构），图中，Rr为转子铁心外半径，Rs为定子铁心内半径，Rm为等效后切向结构内半径，p 为电机极对数，、与分别代表模型中的不同子域，Ax与 Hx 分别为不同子域处的矢量磁 图 2 所提出通用解析计算模型示意图（简化结构）Fig.2 Schematic diagram of the proposed general model 位与切向磁场强度（x=1,2,3,4），各子域间边界条件将在后文给出，为磁桥饱和区域的跨度角23，有 b1b1r2=hwR+（7）式中，hb1与 wb1分别为磁桥 1 的长度与宽度。为了验证所提等效方法的有效性，本文通过有限元对电机原始结构、等效结构及等效后简化结构（即所提出通用模型）的空载气隙磁通密度进行计算。由于 V型电机结构等效后与 U型电机结构相似，同时一字型电机结构又可看成 V 型电机结构永磁夹角为 180 时的特殊情况，故本文以具有代表性的 V型电机结构为例，通过有限元对所提出的等效方法进行了验证，所计算出的不同情况下电机的空载气隙磁通密度波形对比如图 3 所示。可以看出，原始电机与等效后电机的空载气隙磁通密度波形吻合较好，进而证明了所提出等效方法的有效性。图 3 不同情况下电机空载气隙磁通密度波形对比 Fig.3 Comparison of no-load air-gap flux density under different conditions 通过图 3 结果还可以看出，相比于原始电机气隙磁通密度波形，等效后简化结构的气隙磁通密度形状几乎未发生变化，区别仅表现在幅值的不同。气隙磁通密度形状几乎不变的原因是磁桥 2 的存在几乎不影响永磁体磁通进入气隙的路径，使得模型简化前后的气隙磁通具有相似的分布规律，故气隙磁通密度的形状变化较小；气隙磁通密度幅值发生变化的原因是由于模型简化后，永磁体的总量增多，使得总磁通增大，忽略磁桥 2 又会使漏磁减少，故使得计算出的气隙磁通密度幅值增大。U 型结构电机与一字型结构电机的气隙磁通密度波形同样具有上述分布规律。基于上述分析可知，通过对图 2 所示简化结构建立子域模型，求解各子域矢量磁位可得到空载气隙磁通密度分布，然后通过等效磁路法对计算结果 1424 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 幅值进行修正，即可得到各原始电机的空载气隙磁通密度分布，具体实现过程见下文。2 解析模型的建立 2.1 解析建模 根据材料的不同特性，本文将图 2 中建立的模型分为四个子域：气隙（）、磁桥（）、径向永磁体（）与切向永磁体（）。考虑到模型对称性，本文假设磁极中心处为=0，并对 0,/2p内的模型进行解析，其中 p 为电机极对数。电机各子域矢量磁位满足 220r22211MMMrrrrrrr+=+AAA（8）式中，A 为矢量磁位；0为真空磁导率；Mr与 M分别为磁化强度的径向及切向分量。对于气隙子域与磁桥子域，磁化强度为零，故这两个子域满足 22222110rrrr+=AAA （9）22222110rrrr+=AAA （10）对于径向永磁体子域，以图 2 中 S 极为例，其满足 M=Brem/0，M/r=Mr/=0，其中 Brem为永磁体剩磁；对于切向永磁体子域，其满足 M=0，M/r=Mr/=0。故对于径向与切向永磁体子域有 22rem22211Brrrrr+=AAA （11）22222110rrrr+=AAA （12）考虑到模型的周期性和对称性，各子域的矢量磁位通解12,23-25可表示为 11nsr1(,)=sin()npnpnnrrrCDnpRR=|+|A（13）02022 2 122rl=1(,)ln2 c