周明

摘 要：近年來永磁電機在電動汽車、航天領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，通過優(yōu)化設(shè)計提高永磁電機的轉(zhuǎn)動性能就顯得更為重要，本文從優(yōu)化永磁電動機的性能的目標(biāo)出發(fā)，對降低齒槽轉(zhuǎn)矩、進行了探索。

關(guān)鍵詞：永磁電機；轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)動慣量；齒槽轉(zhuǎn)矩

中圖分類號：TM341 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）21-0072-02

近年來，由于永磁電動機與傳統(tǒng)的繞組電機相比具有體積小、重量輕、高效率、功率密度大等優(yōu)勢，在電動汽車、航天工業(yè)、機器人等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，如何通過優(yōu)化電機的設(shè)計，提高電機的性能就顯得尤為重要。本文首先從永磁電機的基礎(chǔ)知識出發(fā)，介紹電機的基本類型、永磁體材料的性能指標(biāo)等內(nèi)容，隨后就電機設(shè)計的熱點問題，如電機的損耗、永磁體的布置、減少齒槽扭矩和優(yōu)化電機的動態(tài)性能展開探索。

1 常見的電機類型

對于電機的類型而言，本文將分析幾種電機的優(yōu)缺點：包括直流電機、感應(yīng)電機、開關(guān)磁阻電機，同時將對比永磁電機和非永磁電機（繞組電機）來突出永磁電機的優(yōu)點。

（1）直流電機：最大的優(yōu)勢就是容易控制，這是因為直流電機的勵磁和電樞電流都是線性的，因此，通過控制直流電機的勵磁和電樞電流，就可以控制電機的扭矩和轉(zhuǎn)速。（2）感應(yīng)電機：可靠性最好，尤其是鼠籠型的感應(yīng)電機，同時與其他類型的電機比起來，感應(yīng)電機的造價較低；由于不需要電刷，感應(yīng)電機幾乎不需要維護；然而感應(yīng)電機的控制確并非易事，同時電機的損耗較高、功率因數(shù)也不理想。（3）開關(guān)磁阻電機：結(jié)構(gòu)簡單，由于轉(zhuǎn)子內(nèi)沒有繞組，所以可以適合在工況較高的溫度下運行；同時其轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速的特性也較其他電機更為理想；同時，開關(guān)磁阻電機的造價也較為低廉。但是由于需要額外的轉(zhuǎn)子位置傳感器來輔助換向，開關(guān)磁阻電機的控制較為復(fù)雜，電機的體積也隨之增大，外加上噪音和振動較大，因此開關(guān)磁阻電機的應(yīng)用也受到限制。（4）永磁無刷電機：應(yīng)用了電力電子逆變器來替代傳統(tǒng)的電刷，因此它克服了傳統(tǒng)電機因電刷磨損而需要經(jīng)常維護的問題，可靠性得到了很大的提高。由于功率密度大、電機效率高、體積較小、重量較輕等一系列優(yōu)點，永磁無刷電機在電動汽車上應(yīng)用的越來越廣泛。然而由于使用了永磁體材料，永磁電機的造價較高；同時在高溫等極端情況下，永磁體還面臨著退磁等風(fēng)險。

2 永磁材料的性能指標(biāo)

永磁材料近些年來被廣泛應(yīng)用，除了在永磁電機上使用以外，還應(yīng)用于智能手機、收音機、電視等。永磁體的性能可以從如下幾個方面來反映：

（1）矯頑力：是指為使永磁體材料的磁場退化為0，而需要是加的反向磁場強度，換句話來說，矯頑力的大小代表著永磁體材料退磁的難易程度。（2）剩余磁通密度：又稱為剩磁，是指永磁體在外加磁場消失后，所保留的磁場強度。（3）居里溫度：是指磁性材料中自發(fā)磁化強度降到零時的溫度。磁滯洄線代表了永磁體材料的的特點通過描述磁通密度和磁場強度的關(guān)系。

3 常見的永磁材料

在電機的設(shè)計中，高性能的永磁體材料例如鐵磁、稀土永磁材料的應(yīng)用最為廣泛。鐵磁材料最大的優(yōu)點是造價較低，同時在低頻工況下渦流的損失也可忽略不計。然而，鐵磁材料的能量密度低，因此，它通常應(yīng)用于對成本控制要求較高的領(lǐng)域。

（1）稀土永磁材料的性能較好，但造價同樣較高。釤鈷（SmCo5）最早于1970年被生產(chǎn)出來，這種稀土永磁材料最大的優(yōu)點是能量密度高（4倍于鐵磁材料）、能夠在較高的溫度下使用，缺點是造價昂貴。釹鐵硼較釤鈷有著更高的能量密度，同時造價相對較低，然而這種材料的居里溫度較低，因此不適用于溫度較高場合的應(yīng)用。（2）軟磁材料通常被應(yīng)用于那些磁通密度隨時間變換的領(lǐng)域，例如電磁起重機。當(dāng)外加磁場時，軟磁材料的磁通密度很容易改變，因此這種材料的磁滯回線較窄。由于軟磁材料的電阻較小，當(dāng)頻繁改變磁通密度時，產(chǎn)生的渦流很大，因此它通常造成疊片結(jié)構(gòu)，以增大電阻減少渦流。

4 永磁體的布置

在永磁電機的轉(zhuǎn)子設(shè)計中，永磁體被設(shè)計布置在不同的位置以滿足不同的應(yīng)用需求，本文簡述了兩種永磁體的布置方式，如圖1，圖2所示。

第一種方式結(jié)構(gòu)簡單，永磁體被用碳纖維或玻璃纖維固定在轉(zhuǎn)子的表面，因此，這種結(jié)構(gòu)制造起來較為方便，但是在大轉(zhuǎn)矩和高速運轉(zhuǎn)的工況下，永磁體有脫落的風(fēng)險，因此這種結(jié)構(gòu)在上述情況下應(yīng)用受限較多。同時，由于需要將永磁體加工成帶弧度的形狀，這也造成了電機制造成本的增加（帶弧度的永磁體比平整的永磁體更難加工，因此成本也更高昂）。第二種布置方式永磁體被嵌入在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，因此永磁體可以被很好的保護從而以避免退磁，另外一個好處是由于同時產(chǎn)生了磁阻轉(zhuǎn)矩，這種布置方式的扭矩密度更大。同時這種布置方式可以使用平整的永磁體，因而降低了制造成本。但是由于永磁體被嵌入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的漏磁通較高。

5 優(yōu)化電極和槽的匹配

在永磁電機的設(shè)計中，選擇合適的電極和槽的數(shù)量對于電機的性能來說至關(guān)重要，它能夠減少齒槽轉(zhuǎn)矩、降低諧波，減少噪聲和振動。在永磁電機運行過程中，由于磁場的存在，永磁體總是傾向于和電機的齒對齊，這將產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的波動，我們稱之為齒槽轉(zhuǎn)矩。齒槽轉(zhuǎn)矩對電機轉(zhuǎn)矩的輸出造成了干擾，同時產(chǎn)生了噪聲和振動。在永磁電機的研究中，減小齒槽轉(zhuǎn)矩是一個重要的的課題。一種常用的方式是在制造時將永磁體和電機的齒都傾斜一定的角度，但這樣將造成制造成本的增加，同時產(chǎn)生了新的扭矩擾動-換向轉(zhuǎn)矩；另外一種方式是合理的匹配電機的極數(shù)和槽數(shù)。研究表明這種方式將大大降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

6 降低電機的損耗

永磁電機的損耗可以分為三類：銅耗、鐵耗、機械損耗。銅耗是由定子繞組線圈的電阻產(chǎn)生，它也是電機主要的損耗之一；因此，電機功率負(fù)載的增加也主要受制于銅耗；鐵耗是由定子中的渦流產(chǎn)生，通常通過采用疊片結(jié)構(gòu)的定子可以有效的降低鐵耗。對高轉(zhuǎn)速的永磁電機來說，永磁體中由定子產(chǎn)生的渦流可能導(dǎo)致永磁體溫度的升高，進而引發(fā)退磁的風(fēng)險，因此設(shè)法降低此類現(xiàn)象的發(fā)生是一個必要的問題；一種有效的方式是將永磁體分段，由此可以使定子的電流更加趨向于正弦曲線，降低諧波進而降低渦流。

7 優(yōu)化電機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)動慣量比

轉(zhuǎn)動慣量通常代表著改變電機轉(zhuǎn)子角速度的困難程度。在例如電動汽車應(yīng)用等許多日常實踐中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量越小，電機的動態(tài)性能就越高。電機的性能系數(shù)（PR），反映了電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣性的關(guān)系，也被稱為“轉(zhuǎn)矩-慣性比”，可以用如下公式來定義：

PR=（Torque（mean）-11000*inertia）

PR：電機的性能系數(shù)；Torque（mean）：電機的平均扭矩；Inertia：電機的轉(zhuǎn)動慣性。

通過上述公式可以看出，要提高電機的性能，就要盡可能優(yōu)化電機的性能系數(shù)，即提高扭矩，減小轉(zhuǎn)動慣量。

由于轉(zhuǎn)矩的大小取決于電樞電流，我們通常采用增加電樞電流來增加轉(zhuǎn)矩。降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的方式有很多，其中一種方法是通過降低轉(zhuǎn)子的直徑（直徑越大，轉(zhuǎn)動慣量越大），或者減小轉(zhuǎn)子的質(zhì)量；我們可以通過將轉(zhuǎn)子內(nèi)部做成鏤空式來達到上述目的，如圖3所示。

8 結(jié)語

永磁電機較傳統(tǒng)的繞組電機有著高可靠性、高效率和高功率等優(yōu)點，但是由于使用了昂貴的稀土材料它的造價也較傳統(tǒng)的電機高昂，永磁體內(nèi)嵌式永磁電機較永磁體表面布置式永磁電機更適合于高轉(zhuǎn)速的工況，同時其制造成本也更加經(jīng)濟；通過合理的選擇電機和槽能夠有效的降低齒槽轉(zhuǎn)矩、諧波和噪聲；通過優(yōu)化轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)動慣量系數(shù)，電機的動態(tài)性能能夠得到進一步的提升。endprint