轮毂盘式无铁心永磁同步电机永磁体结构优化

作者 刘福贵 王彦刚 赵振兴 刘慧敏 高春兰  河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室(天津 300130)

*基金项目：天津市自然科学基金(编号：15JCYBJC16400)

刘福贵(1972-)，男，博士，教授，研究方向：电磁场与磁技术。

摘要：从优化永磁体结构的角度出发，提出将不等厚排列技术与90°Halbach阵列相结合方法对磁钢的排列结构分析，通过改变磁钢排列结构以进一步提高盘式无铁心永磁同步电机(以下简称为DCPMSM)气隙磁密的基波幅值及波形的正弦性，达到提高电机性能的目的。本文通过有限元仿真软件对16极盘式永磁同步电机进行建模，分别选取不等厚排列电机模型、不等宽90°Halbach排列电机模型和改进型90°Halbach排列电机模型进行静态气隙磁场分析对比。仿真数据表明，“不等厚排列技术+90°Halbach阵列”使得周向磁密波形和切向磁密波形都大为改善，磁场波形更接近于正弦分布特征，其中周向磁密波形畸变率(THD)Bmin可降低到1.35%，气隙周向磁密幅值Bδav提高到0.5465T。

引言

针对车用永磁同步电机高效率、高功率密度的要求，气隙磁场的波形须为正弦波，幅值应足够高，以电机磁场为优化目标进行分析^[1]。为确定电机磁场的优化变量，本文对其磁路进行定性分析，得到了影响磁场的主要因素是永磁体材料以及结构尺寸。因此，磁钢尺寸成为磁场优化的关键。将不等厚原理应用于90°Halbach结构，能够兼顾气隙磁场的幅值与波形，对于提高电机功率密度、降低转矩脉动^[2]等具有重要意义。并且利用盘式电机的设计原则对该特种电机的主要电磁参数进行了推导，对轴向磁场电机的后续设计提供了理论依据。

针对永磁同步电机对气隙磁场^[3]的要求，提高电机的效率，降低电机的转矩脉动^[4]及振动噪声，电机磁场波形要接近正弦分布特性。为了兼顾以上要求，可以从电机永磁材料、磁钢形状和排列方式等方面考虑。永磁体选用磁性能优异的钕铁硼材料。而对于磁钢结构的研究，有文献提出根据气隙磁密波形设计不等厚磁钢^[5-6]和采用不等厚磁钢排列削弱气隙磁密的谐波分量^[7]，但有很少文献理论地介绍轴向充磁磁钢的不等厚排列原理。有学者通过比较研究不同角度的Halbach阵列^[8]，得到最优的排列方式。90°Halbach阵列充磁较其他角度的方便^[9]、结构排列简单、对工艺要求低^[10]，虽能够满足电机对气隙磁密幅值的要求^[11]，但波形正弦性不够理想。因此，提出将不等厚排列技术与90°Halbach阵列相结合方法对磁钢的排列结构^[12]进行设计。

1 电机电磁参数与气隙磁密的分析

气隙磁密的基波幅值提高以及波形的正弦性对电机的各性能参数具有很重要的意义。当保持电机的主要尺寸不变时，通过对磁钢的优化，提高电机气隙磁密的基波幅值，使得电机的电磁转矩和电磁功率得到提高;波形的正弦性对电机的空载反电动势和转矩脉动有很紧密的关系^[13]。

根据电机电磁参数与气隙磁密的关系，气隙磁密的基波幅值与电机的空载电动势、电磁转矩和电磁功率有紧密的关系。针对改善DCPMSM每极下的平均气隙磁密的幅值和波形，目前有很多专家学者对电机的永磁体结构进行研究，其中，90°Halbach阵列技术和不等厚排列得到了很广泛的应用，并且两者相较普通磁钢排列，平均气隙磁密的幅值得到提高，正弦性也有显著改善。因此，本文针对气隙磁密的幅值及波形的正弦性，对电机的不等厚排列模型和不等宽90°Halbach阵列模型进行磁场仿真。

2 两个电机模型的磁场仿真

2.1 不等厚排列电机模型的磁场仿真

每极有五块不同厚度的磁钢组成，中间磁钢厚度由hm1表示，紧邻的里侧两块磁钢厚度为hm2，最外侧两块磁钢厚度是hm3，且满足h_m1>h_m2>h_m3。改变三块磁钢的厚度比可以得到幅值、波形均不同的气隙磁场。

仿真结果显示，改变h_m1时，B_δav与(THD)_B随h_m2、h_m3的变化规律同h_m1=15mm的情况：每一个h_m1取值都有对应的(THD)_Bmin;B_δav随h_m2减小同样呈减小趋势，即主要受hm₂影响。

由于受尺寸限制，hm₁=12mm对应的6.61%并不是(THD)B的极小值，而是仿真所取到的最小值，但并不影响最终结论。可见，随hm₁的单调变化，(THD)_Bmin同样先减后增，故存在最优情况，取(THD)_B值为1.70%，此时，B_δav=0.4615T，(hm₃,hm₂,hm₁)=(2,9,18)。

2.2 不等宽90°Halbach排列电机模型的磁场仿真

每极轴向充磁磁钢与切向充磁磁钢所占的几何角度比值用k表示。不等宽与不等厚原理相同，都是改变磁钢的磁化方向长度;前者针对切向充磁磁钢，后者针对轴向充磁磁钢。

波形幅值随比值k的减小而增大，波形由马鞍形波向尖顶波方向发展。减小比值k相当于增大切向充磁磁钢