作者 刘福贵 王彦刚 赵复兴 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要点实验室(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，研讨方向：电磁场与磁技能。
摘要：从优化永磁体结构的视点动身，提出将不等厚摆放技能与90°Halbach阵列相结合办法对磁钢的摆放结构剖析，经过改动磁钢摆放结构以进一步进步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，到达进步电机功能的意图。本文经过有限元仿真软件对16极盘式永磁同步电机进行建模，别离选取不等厚摆放电机模型、不等宽90°Halbach摆放电机模型和改进型90°Halbach摆放电机模型进行静态气隙磁场剖析比照。仿真数据标明，“不等厚摆放技能+90°Halbach阵列”使得周向磁密波形和切向磁密波形都大为改进，磁场波形更挨近于正弦散布特征，其间周向磁密波形畸变率(THD)Bmin可下降到1.35%，气隙周向磁密幅值Bδav进步到0.5465T。
导言
针对车用永磁同步电机高功率、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，以电机磁场为优化方针进行剖析[1]。为确认电机磁场的优化变量，本文对其磁路进行定性剖析，得到了影响磁场的首要因素是永磁体资料以及结构尺度。因而，磁钢尺度成为磁场优化的要害。将不等厚原理使用于90°Halbach结构，能够统筹气隙磁场的幅值与波形，关于进步电机功率密度、下降转矩脉动[2]等具有重要含义。而且使用盘式电机的规划准则对该特种电机的首要电磁参数进行了推导，对轴向磁场电机的后续规划供给了理论依据。
针对永磁同步电机对气隙磁场[3]的要求，进步电机的功率，下降电机的转矩脉动[4]及振荡噪声，电机磁场波形要挨近正弦散布特性。为了统筹以上要求，能够从电机永磁资料、磁钢形状和摆放办法等方面考虑。永磁体选用磁功能优异的钕铁硼资料。而关于磁钢结构的研讨，有文献提出依据气隙磁密波形规划不等厚磁钢[5-6]和选用不等厚磁钢摆放削弱气隙磁密的谐波重量[7]，但有很少文献理论地介绍轴向充磁磁钢的不等厚摆放原理。有学者经过比较研讨不同视点的Halbach阵列[8]，得到最优的摆放办法。90°Halbach阵列充磁较其他视点的便利[9]、结构摆放简略、对工艺要求低[10]，虽能够满意电机对气隙磁密幅值的要求[11]，但波形正弦性不行抱负。因而，提出将不等厚摆放技能与90°Halbach阵列相结合办法对磁钢的摆放结构[12]进行规划。
1 电机电磁参数与气隙磁密的剖析
气隙磁密的基波幅值进步以及波形的正弦性对电机的各功能参数具有很重要的含义。当坚持电机的首要尺度不变时，经过对磁钢的优化，进步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进步;波形的正弦性对电机的空载反电动势和转矩脉动有很严密的联系[13]。
依据电机电磁参数与气隙磁密的联系，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严密的联系。针对改进DCPMSM每极下的均匀气隙磁密的幅值和波形，现在有许多专家学者对电机的永磁体结构进行研讨，其间，90°Halbach阵列技能和不等厚摆放得到了很广泛的使用，而且两者相较一般磁钢摆放，均匀气隙磁密的幅值得到进步，正弦性也有显着改进。因而，本文针对气隙磁密的幅值及波形的正弦性，对电机的不等厚摆放模型和不等宽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 不等厚摆放电机模型的磁场仿真
每极有五块不同厚度的磁钢组成，中心磁钢厚度由hm1表明，紧邻的里侧两块磁钢厚度为hm2，最外侧两块磁钢厚度是hm3，且满意hm1>hm2>hm3。改动三块磁钢的厚度比能够得到幅值、波形均不同的气隙磁场。
仿真成果显现，改动hm1时，Bδav与(THD)B随hm2、hm3的改动规则同hm1=15mm的状况：每一个hm1取值都有对应的(THD)Bmin;Bδav随hm2减小相同呈减小趋势，即首要受hm2影响。
因为受尺度约束，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，但并不影响终究定论。可见，随hm1的单调改动，(THD)Bmin相同先减后增，故存在最优状况，取(THD)B值为1.70%，此刻，Bδav=0.4615T，(hm3,hm2,hm1)=(2,9,18)。
2.2 不等宽90°Halbach摆放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许视点比值用k表明。不等宽与不等厚原理相同，都是改动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开展。减小比值k相当于增大切向充磁磁钢的宽度，由仿真成果易知，增大切向充磁磁钢所占的份额有利于增大磁密幅值，但波形质量也会变差;而增大k值，则相当于增大轴向充磁磁钢的宽度，其极限状况即对应一般的N、S摆放结构，因而波形会向马鞍状开展。因而，简略地改动90°Halbach结构一极的宽度比，无法得到抱负的作用。
3 改进型90°Halbach摆放的电机模型磁场仿真
将轴向不等厚摆放使用于90°Halbach阵列每极的两块磁钢，其磁钢均匀半径处的切向打开示意图如图1所示。即原有的每块磁钢变成三块不同轴向厚度的磁钢，中心厚度取为h1，对应的几许视点所占份额为div1;两头厚度为h2，所占的份额均为div2。
电机的四分之一仿真模型如图2所示，是k取1前提下具有最佳周向磁密波形的模型。该模型中，h1=12mm，h2=2.4mm，div1=3.5/6。
图3显现的是改进型电机的周向磁密波形，幅值为Bδav=0.5465T，且波形十分挨近正弦波。与45°Halbach摆放等结构比较，该模型尽管每极磁块数增多，但在充磁方面依然占优势，且磁密波形也能到达要求。图4所示的径向磁密波形，相较90°Halbach根底结构愈加挨近平顶波，永磁体内外径间的磁场改动比较稳定。
令r=div1/(2*div2)，表明中心磁钢与两头磁钢所占几许角的比值。详细优化进程：
(1)k=1。关于改进型的等宽结构，比较r改动时气隙磁场的改动状况。首要对r=1时的电机模型进行仿真，此刻div1=2*div2。改动h1、h2，剖析气隙周向、径向磁场改动状况。
仿真成果标明，Bδav随中心磁钢的厚度h1的增大呈上升趋势，(THD)B则改动为先减小后增大，并在(h1,h2)取厚度组合(13,3)时取得最小值;由周向波的改动趋势就不难揣度波形质量最佳的状况必坐落这组数据的中心某个组合;径向波形以组合(12,4)为斜顶波与准平顶波的分水岭，故(13,3)组合的径向波形坐落准平顶波之列。归纳剖析，(13,3)是r=1时的最佳厚度组合。图5比较了(h1,h2)取四种典型值的磁场波形。
关于r≠1的状况，取比值5:1~1:5之间的8种改进型结构模型进行仿真。成果显现，(THD)B及周、径向波形随组合(h1,h2)的改动规则根本同r=1状况：周、径向波形改动趋势大体一致;而关于某一特定的r值，对应的(THD)B随h1增大的改动满意先减小后增大的规则，(THD)B存在部分最优解(极小值)。但当r取5:1、4.5:1.5、1.5:4.5、1:5四种违背1:1较远的值时，在实践合理尺度范围内，(THD)B并不存在极小值，处于发散状况，且对准大局最优解(k=1时)不构成影响。
归纳比较r取不同值的(THD)B极小值改动状况，成果总结列入表1。其间(THD)Bmin表明周向磁密波形的THD极小值。(THD)Bmin随r的增大先减小后增大，故k=1时，(THD)B的准大局最优解存在，为1.35%，此刻r=3.5:2.5，对应的(h1,h2)取(12,2.4)，Bδav为0.5465T。
(2)k≠1。关于改进型的不等宽结构，相同令k取5:1~1:5之间的8个比值，仿真进程同上。关于k=2.5:3.5状况，仿真成果如表2所示。据前所述，最终一组数据并非仿真的最佳成果，而是考虑到实践尺度约束所取的最小值。与表1比较，k取2.5:3.5时，r值对应的(THD)Bmin整体增大，但随r的改动规则却相同，且相应的厚度组合(h1,h2)也根本符合。故k=2.5:3.5时，(THD)B的准大局最优解存在，为3.50%，Bδav为0.566T。
因为k取其他七个比值时，周向磁场的仿真波形畸变率较严峻，(THD)B的准大局最优解的状况更糟。关于其间任一种取值，r值所对应的(THD)B要么存在极值，但要显着高于前述的两种状况，要么发散、不存在极值。
4 定论
经过对90°Halbach结构[14]的仿真，添加轴向充磁磁钢的轴向厚度、将轴向充磁磁钢划分红不同厚度的若干块小磁钢或是添加切向充磁磁钢所占的几许视点等简略地结合不等厚规划的许多办法都无法得到高质量的波形。因而考虑对一对极的两种充磁磁钢都运用不等厚规划，将单块的每种充磁磁钢用三块不等厚磁钢替代。这样尽管添加了每极磁钢块数，但周向磁密波形和切向磁密波形都大为改进，成果验证了不等厚摆放使用于90°Halbach结构的合理性，经过仿真数据显现，(THD)B的最小值为1.35%，对应的k=1，r=3.5:2.5，(h1,h2)=(12,2.4)，Bδav为0.5465T。归纳考虑电机的实践状况，改进型90°Halbach电机选用周向磁密波形畸变率最小所对应的磁钢结构，相关于90°Halbach型和不等厚型电机在气隙磁密基波幅值和波形正弦性上都有所改进。
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本文来源于《电子产品世界》2017年第4期第33页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
