对于新型非对称转子永磁辅助式同步磁阻电机研究

谭福慧

珠海格力电器股份有限公司 广东 珠海 519000

【摘要】近年来，随着我国永磁材料和机械控制技术的发展，国内的现代机械制造、航天航空、农业生产和家用电器等产业发展迅速，且对这些技术有着较高的要求。永磁同步电机从生产特点和效益来看，其具有转矩密度大，整体效益高、稳态性能好等多方面的优点。但是永磁同步电机的弱磁调性能较低以及制造成本受限，在实际的推广和运用中也可能存在较大的问题。与此同时，新型非对称转子永磁辅助式同步磁阻电机的得到了大众的关注。本文针对该新型技术的优点和具体运用进行分析，相关内容如下。

【关键词】：新型非对称转子；永磁辅助式；同步磁阻电机

从永磁辅助式电机的运行来看，磁阻转矩和永磁转矩功能叠加可提升电磁转矩质量，进而提升电机的整体效益。针对此可结合电机的需求构建非对称转子结构，以此来提升同步磁阻电机的性能。本文结合PMA软件进行数学建模，并用有限元仿真的方式来验证数据学模型。该方式可针对车用变频电机的多个性能予以组合，可融合分散化Halbach 阵列、PMA-syn RM结构重新定义矩阵特性，后期可以借助冻结磁导率的方式确定转矩风力特性，并对其耗能进行综合计算。

1.数学模型研究

作为电磁转矩的重要组成部分，转子凸机效应产生的磁阻转矩会直接影响磁阻转矩的质量，而转子结构是影响转子凸极特性的关键因素。

在实际的工业生产中设计凸极转子时候都是尽量增加转子的交直轴的电感差异来提升装置的整体性能。如可以增加转子直轴的电感差异，可增加q轴电感，从而降低d轴电感。增加q轴电感最小值的方式就是尽可能保证q轴的系统稳定性，而增加d轴最直接的方式就是在特殊的部位开出磁障，并在内部填充不导磁的材料，因此来增加磁阻。

本文研究的非对称转子PMA数学模型结合了传统的同步磁阻电机的转矩密度，研究时候需要在磁障中加入一些辅助永磁体来帮助电枢绕组。因为一旦引入永磁体，内部就会产生部分电动势，而永磁体转矩也会增加单位电流的永磁转矩。借助磁体操作控制方式还能够建立机电能量的整体性，进而来提升高功率因素和效率。此外，相关技术人员也需要通过增加d-p轴的电感差异来增加磁阻转矩，永磁转矩也仅仅是对磁阻转矩起到一个较好的辅助作用。这种模式的表示电机在高速运行的环境下，感抗压降远大于电阻压降，因此定子电阻就可以忽略不计，而逆变器的最大功率也会影响电机的转速以及电磁转矩。若机电系统采用的是无有源PFC单元的逆变器，整体载满时候，母线就会低于空载，这主要是因为电网需要更多的电流注入驱动器，并以此来增加整个流管的导通角度，随之增加电流脉冲效果。

本次研究采用的新型非对称结构，内部磁极采用的是辅助式永磁体配置结构，可以让整个PMA系统都能够合理利用永磁体结构。而模型中采用的转子铁芯采用的非对称结构理念，在磁极采用非对称设计时候可以有效利用永磁转矩，进而提升整个转矩的目的。而利用非对称结构可以影响PMA永磁磁路，同时改变电机永磁转矩和磁阻转矩的跌价关系，可以让永磁转矩和磁阻转矩的最大值之间的转矩角度可以相互靠近，最终采用合理的方式来利用电机永磁体的转矩和磁转矩的关键成分，最终可以让电机的电磁转矩得到提升，全面提升电机的整体效能。

2.有限元结构分析

本次有限元分析采用ANSOFT软件，以麦克斯韦微分方程为研究基础，进而将电磁场进行变分问题离散化，可利用电池微分的方式将各个技术内容转化为庞大的矩阵形式进行求解。

首先，利用RMxprt模型和四级变频三相感应电机为基础来进行非对称转子PMA模型设计，其次，用maxwell2s进行设计计算，整体可借助多种方式进行直接建模。最后运用2d方式建模，进而来确定特殊的有限元关系。借助相应的数学模型，转子结构的可以实现理想的转矩叠加关系，并在d-p的坐标系下，结合永磁磁链进行超前d轴π/4 rad 电角度研究。经过实验研究结果可知，整个系统内部几乎没有磁感线穿过气隙和定子交链，因此整个设计模式需要接受优化。为了限制永磁体的漏磁问题，后决定在两端他填充非导磁材料，并采用表面嵌入法得到相应的模型。处理后得知，经过优化后的永磁体漏磁问题得到了理想的改善，结合模型和传统的PMA对比，电磁转矩提升了12.3%。

通过分析结果可知，永磁体的位置会影响磁阻转矩的结果。如永磁体的位置放在导磁铁条后，整个交轴磁路引入了永磁体，整个交轴的磁阻增加，从而会降低凸极的比例，最终会导致磁阻转矩有所降低。而交轴的磁路宽度受到限制，加入的永磁体宽度也会受到影响，这样就会导致永磁转矩的占比减小，而因为宽度的影响，整个永磁转矩的效果受到影响，因而无法选择铁氧体等低性能的永磁材料；而Halbach矩阵可作为一种新型的充磁方式，可以为径向或者是平行充磁途径提供更好的永磁体，较为实用。

3.基于分散化的Halbach阵列非对称转子PMA模型研究

分散化Halbach阵列研究是非对称转子PMA模型设计的基础，

从操作可能性来看，Halbach阵列可以有效实现电机转子的无铁芯化，在实际的操作中可以实现理想的聚磁效果。前文所提到的非对称矩阵方式会限制永磁体的用量，交轴磁路也会受到限制，针对此，提出基于Halbach阵列的非对称转子PMA结构，可结合其列阵类型实现综合研究。

可结合径向充磁的内容，如永磁体会沿着直线方式排列在空气中，而永磁体的极性成非规律性变化。为了提升永磁体的综合效率，在设计时候是将电机中永磁体列阵一侧通过气隙和定子进行对正处理，可让另一边紧贴转子表面。定转子铁芯采用硅钢片叠压而成。后利用多个永磁体按照Halbach阵列方式进行组合，两个永磁体磁场叠加后就形成了合成磁场。

有限元分析可知，内转子结构中，装置的充磁方式为8 极 Halbach 无铁芯

转子，对其中嵌入的16块永磁体采用直角步长充磁。实际的运用表示，Halbach阵列的充磁步长略小，因此可以让其内部有正弦，也能够减少永磁体的厚度。为了有效分析Halbach 转子的效果，需要及时消除电枢磁场的影响，因此需要撤掉定子绕组。结果可知，永磁体底的磁感线比顶部少，顶部磁感线远大于底部，可忽略底部不计，因此可以得出以下结论。第一，Halbach列阵转子模式的底部几乎不存在磁场，而磁场针对充磁的永磁体阵列更加集中，整体需要结合永磁体的充磁方向和段数进行区分和规划。第二，结合阵列永磁体的充磁方向不同，整个磁通方向可上、可下。

4.结语

综上所述所，非对称转子PMA模型的主要创新性在于对比synRM模型，其具有永磁磁链交轴分量，电磁转矩方程以及在变频驱动器矢量控制策略下的电压电流的约束条件均有体现。本文提出一种基于“分散化 Halbach 阵列”的非对称转子 PMA-syn RM，这种全新的拓扑将全部的辅助永磁体分散在磁障当中，不会占据交轴磁路，采用对称磁障，方便加工，聚磁效果理想。

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