永磁电机，特别是稀土永磁电机，具有运行可靠、体积轻便、高效节能等显著优点，应用范围极其广泛。永磁电机转子上安装有永磁体磁极，永磁体安装方式一般有表贴式和内置式（又称嵌入式）2种型式，其中采用表贴式磁路结构的永磁电机同内置式永磁电机比较，其电枢反应小，磁场波形和电流电压波形畸变率小，性能优良，且空载感应电势、效率和功率因数都高于内置式电机。随着永磁材料的成本增加，永磁电机优化设计对于提高永磁电机性能具有重要意义[1]。本文主要通过3种方法实现对表贴式永磁电机的优化设计。
1电机参数与拓扑
为了详细分析永磁体形状对电机电磁性能的影响，本文选用24槽/8极表贴式永磁电机模型，对应的电机设计参数如表1所示。该电机定子电枢采用三相分布式双层绕组，其排列如图1所示。转子永磁体分别采用转子斜极（magnetskew）、正弦型（magnetsineshaping）和三次谐波注入型（3rdharmonicshaping）永磁体结构。其中，转子斜极结构见图2。当采用转子斜极结构时，根据公式θs=360/(2z)(1)式中：z为定子槽数，可以计算出转子永磁体倾斜角度为7.5°。正弦型永磁体结构见图3，正弦型永磁体可以产生正弦分布的气息磁密，有利于减小电机的转矩脉动[2]。正弦型永磁体结构尺寸方程如式(2)所示：hPM(θ)=Hmsin(pθ)(2)式中：θ为转子位置角，p为极对数，Hm为永磁体部分最大厚度。由于采用正弦型永磁体可以显著降低电机的转矩脉动，而加入三次谐波又可以提高电机的转矩密度。故三次谐波注入型永磁体厚度与转子位置角之间的关系如式(3)所示。
2电机电磁场分布
图5为3种不同转子永磁体设计时的电机电磁场分布。从图5不难看出，当采用正弦型永磁体时，永磁体的体积可以明显减少，在保证电机力能指标前提下，从而可以显著降低电机的制造成本[3]。
3电机特性计算
当采用斜极永磁体时，5种不同极弧系数的情况下的气隙磁密波形见图6。当转子极弧系数为0.833时，此时的五次谐波含量最小；当极弧系数为0.667时，此时的三次谐波含量最小，因此选择极弧系数为0.833。为了对比3种不同永磁体形状的电机的电磁特性，正弦型永磁体和三次谐波注入型永磁体的极弧系数均选取为0.833。此时，可以显著减小极间漏磁[4]。图7为3种不同形状永磁体时的电机反电势及其畸变率。从图7可以看出，当采用传统斜极永磁体时，会产生最大的反电势。当采用正弦型永磁体时，其对应的谐波含量最小[5]。然而，由于其基波分量最小，将会进一步降低电机的转矩密度。三次谐波注入型永磁体产生的反电势与传统斜极永磁体电机的反电势比较接近。尽管此时电机的反电势含有三次谐波，但是不会产生电机转矩的脉动，并且可以进一步提高电机的转矩密度。当采用特殊设计的永磁体时，其齿槽转矩可以进一步降低。图8为不同形状永磁体结构时对应的齿槽转矩曲线。从该图可以看出，当采用斜极永磁体时，可以显著降低电机的齿槽转矩，对应的齿槽转矩甚至可以忽略不计。当采用正弦型永磁体时，也可以显著降低的齿槽转矩。图9为3种不同结构的永磁体产生的转矩与转子位置变化特性。尽管采用斜极转子可以显著电机的齿槽转矩，由于其反电势谐波含量最大其转矩脉动也最大。由于较低的反电势谐波和齿槽转矩，当永磁体采用正弦型结构设计时，其对应的转矩脉动较小。而采用三次谐波注入型结构永磁体时，其对应的转矩密度得到显著提升，然而其转矩脉动明显增大。3种不同永磁体结构的电机对应的齿槽转矩、平均转矩和转矩波动见表2。
4结论
本文主要研究3种不同结构永磁体表贴式永磁电机设计时的不同电磁特性。通过分析表明，斜极永磁体可以显著降低电机的齿槽转矩。正弦型永磁体可以显著降低电机的谐波含量，并可以产生较小的转矩脉动。但是，该种结构会降低电机的转矩密度。而三次谐波注入型结构可以提高电机的转矩密度，但是其转矩脉动会稍微增大。由于永磁体制造技术越来越简单，对电机永磁体优化设计时可以显著提高电机的电磁性能。
作者：邓艳菲 徐姗 单位：江西机电职业技术学院
