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电动自行车用磁通切换电机设计(一)

2016/10/27    来源:ANSYS    作者:朱新凯      
关键字:电磁仿真  电机设计  有限元  
为了探究定子永磁型电机与转子永磁型相比,在电磁性能、成本上是否具有优势性,本文将设计一台FSPM电机,与一台已经在市场上使用的电动自行车用表贴式永磁同步电机进行成本和性能上的比较。

前言

    在节能减排政策的影响下,高效电机逐渐向市场推广,替代高能耗电机。永磁电机利用永磁体激磁,无励磁电流,热损耗少,所以电机效率高,是高效电机重点的发展方向之一。永磁电机根据永磁体安放的位置不同,可以分为转子永磁型电机和定子永磁型电机。常见的永磁同步电机和永磁无刷直流电机一般都是转子永磁型电机,有表贴式、内嵌式等类型。定子永磁型电机的永磁体和电枢绕组都安放在定子上,转子是一个完整的铁心,无永磁体,也无线圈,所以该电机的转子的可靠性和机械性能非常高,尤其适合高速电机。另外,永磁体安放在定子上,永磁体的冷却问题容易解决,可以避免永磁体高温退磁问题。

    定子永磁型电机因自身的诸多优势,受到了越来越多的关注。从20世纪90年代开始,陆续出现了三种新型结构的定子永磁型电机:双凸极永磁电机(DSPM)、磁通方向永磁电机(FRPM)和磁通切换永磁电机(FSPM)。为了探究定子永磁型电机与转子永磁型相比,在电磁性能、成本上是否具有优势性,本文将设计一台FSPM电机,与一台已经在市场上使用的电动自行车用表贴式永磁同步电机进行成本和性能上的比较。为了保证比较结果的公平性,FSPM电机和SPM电机在外形尺寸,额定功率、额定电压、额定转速、所用材料上保持一致,比较两种电机的永磁体用量、铜线用量和定位力矩的大小。

1 FSPM电机的通用设计方法

    在电机体积确定之后,FSPM电机的设计重点主要包括四部分内容:定转子齿极数和相数、定转子铁心尺寸、永磁体尺寸、每相绕组匝数。

    1.1 定转子齿极数和相数

    FSPM电机采用的是集中式绕组,即每个线圈套在一个齿上,故电机的定子齿数和电机总的线圈个数相等。为了保证随转子转动气隙磁场能够发生变化,FSPM电机的定子齿数和转子齿数不能相等。与分数槽集中绕组的永磁无刷直流电机相似,定子齿数和转子极数在数量上最少可以相差一个,若相差为1,定子齿数或转子极数必有一个出现奇数的情况,奇数齿时受体受到的电磁力不能自相平衡,会产生单边磁拉力,引起震动、噪声或造成机械损伤。集中式绕组时为了保证绕组因数接近于1,希望定子齿数和转子极数越接近越好,一般会选取两者相差为2。同样,FSPM电机转子齿数就是电机的极数,为了保证绕组因数接近于1,一般会选择定转子齿数相差为2。

    若定义构成一相绕组的线圈个数为Nc,则采用集中绕组的FSPM电机在相数m、定子齿数Ps、转子极数Pr之间应满足如下关系:

Ps=Pr

    本文在设计FSPM电机时采用了最常用的12/10结构。

    1.2 定转子铁心和永磁体尺寸

图2-1 初始尺寸设计

图2-1 初始尺寸设计

    FSPM电机其定转子部分的尺寸参数较多,足如下的基本关系:

公式1 基本关系

公式1 基本关系

    在设计时为方便起见,是各个尺寸参数满将各个尺寸换算成长度单位时,公式(1)改写为:

公式2 改写公式

公式2 改写公式

    永磁体的轴向长度等于电机本体的轴长,由此可得到单块永磁体的体积  ,满足如下关系:

公式3 体积 

公式3 永磁体的体积

    转子极高通过一个系数确定,即转子极高满足关系:

公式4 转子极高

公式4 转子极高

    转子部分的最后一个重要参数  ,反映的是转子齿形,为了给定子永磁磁通提供较小的磁阻路径,转子齿与轭部的交接部分应交宽,采用梯形齿而非平行齿。

    至此可见,给定电机定子外径  、气隙长度g后,可通过上述公式。方便的确定FSPM电机的定转子铁心和永磁体尺寸。

    本文为了比较FSPM电机和PSM电机永磁体利用率,在设计FSPM电机时,是其所用永磁体的总体积和PSM电机所用永磁体的总体积相等。

责任编辑:马倩
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