新型永磁磁通切换电动机的电磁性能及温度分析

电机 在 额 定 转 速 ７ ５ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ下 运 行 ， 电 机 的空 载特性 如 下 。 由 图 ６的 电机 空 载 磁 链 波 形 可 以看
出， 电机 的磁 链 为双极 性正 弦 分布 ， 与一 般 的双 凸极 永 磁 电机 的单极 性分 布不 同 。 图 ７为 电机空 载反 电
Ｗ Ａ Ｎ Ｇ Ｐ 打 曙， Ｑ Ｕ Ａ Ｎ Ｌ ｉ ， Ｚ ＨＵＸ ｉ ａ ｏ — ｙ Ｏ ｎ ｇ （ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｚ ｈ ｅ ｎ ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ２ １ ２ ０ １ ３ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
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图 １ 电 机 结 构 图
布波形 。永 磁磁 密 峰 值 接 近 １ ． ７ Ｔ， 电枢 电 流 １ ０ Ａ
１ ． ２磁通 切换 的原 理
及３ ０ Ａ时， 电枢 磁 密峰值 分 别为 ０ ． ４ Ｔ和 １ ． ５ Ｔ， 可 见 即使 电枢 电流达 到 额 定 电流 的 ３倍 时 ， 其 产 生 的 电枢 反应 磁场仍 不 能和永 磁 磁场 相 比 。
触峙电棚 ２ ｏ １ ４ 年 第 ４ ２ 卷 第 ３ 期
绕组 采 用集 中绕 组 ， 每 ４个 线 圈串联 成一 相绕 组 。
的漏 磁 。 因为永 磁 体 为切 向交 替 充 磁 ， 电机 具 有 聚 磁效 应 ， 两块 永磁 体 产 生 的磁 通 聚集 在 一 起 穿 过 气 隙进 入 转子 ， 这是 该 电机 的气 隙磁 密 远 远 高 于 其 他
ｔ ｈ ｉ ｓ ｍ ｏ ｔ ｏ ｒ ｗ ｅ ｒ ｅ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｎ ， ｉ ｔ ｓ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｊ ｕ ｓ ｔ ａ ｓ ｌ ｆ ｕ ｘ ａ ｎ ｄ Ｅ ＭＦ ｗ ａ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｅ ｄ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ｉ ｆ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ —
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收 稿 日期 ： ２Байду номын сангаас０ １ ３ — ０ ９ — ０ ５
基金项 目： 国家 自然科学基金项 目（ ５ ０ １ ０ ７ ０ ６ ７ ）
绕组 ， 永磁体嵌在定子铁心 内， 与空气不直接接触 ， ； ｚ ５
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三相 １ ２ ／ ２ ２极 外 转子式 定 子永磁 型磁 通切 换 电机为
磁 电机 的本体 设计 、 工作 原理 ， 电磁 性能 的分 析及控 制 的研 究成 果较 多 Ｊ 。而 磁通 切 换 电机 既具 备 双 凸极永 磁 电机 的转 子结 构 简单 、 适 于 高速 运 转 等优
点， 又具 备 了转子 永 磁 型 电机 空 载磁 链 为 双 极性 等
萍
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转 子永磁 型 电机 的缺 点 与 不足 ， 将永 磁 体 置 于定 子
上， 即定 子永 磁型 电机 。到 目前为 止 ， 关 于双 凸极永
转子式 磁通 切 换 电 机 的 研究 Ｊ ， 对 于 外 转 子 式 磁 等 新型永 通切换 电机 的研 究 国 内外 鲜有报 道 。本文 提 出了 以
目前 ， 对 于 磁 通切 换 电机 的研 究成 果 主 要 为本
体 电磁 性能 分析 、 工作原理分析 、 静态 特 性 分 析 、 涡 流损 耗计算 等方 面 。这些 研究成 果 主要集 中于对 内
王
永磁体 位 于转 子 ， 冷 却 条件 差 ， 散热 困难 ， 限 制 了 电
机 的 出力 ， 制 约 了 电机 性 能 的进 一 步 提 高 。为 克 服
：
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磁体建立； 另一类是电励磁式磁通切换电机 ， 其空载
气 隙磁 场通 过 电枢 绕 组 产 生 ； 第 三类 是 混 合 式 磁 通
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１ ． １电 机的基本结构
三相 外转 子式定 子永 磁 型磁通 切换 电机 结构 如 图 １所示 。定转 子 皆 由硅 钢 片叠 压 而 成 ， 转 子 为 双 凸极 结构 ， 位 于定 子 外侧 ， 转 子上 既 无 永 磁 体 ， 也无
小的路径闭合 的。磁通切换 电机工作原理如图 ２ 所 示 Ｊ ， 图２ （ ａ ） 为永磁 磁通 沿着 图示 箭 头 的路 径 从定
子齿 进入 与 之相对 齐 的转 子极 ， 图２ （ ｂ ） 中永 磁 磁 通
一 １ ． ５
卵 ）
ｏ ／ ｃ ）
不变 ， 但 对绕 组 而言 ， 路径 完 全 相 反 ， 为 穿 出转 子 极
研究 目标 ， 利用有限元软件对电机进行建模仿真， 分 析其 电磁 特性 ， 并通 过 电磁 一 温 度场 耦 合 的方 法 ， 建
立 电机 的稳 态温 度 场 的联 合 仿 真 ， 估 测 了 电机在 空 载、 额 定运 行 的情况下 电机各部 分 的温度分 布情 况 ， 对 电机计算 所得 的仿 真结 果和 实验 所测得 的结 果进 行 比较 分 析 ， 验 证 了本 文 提 出 的新 型 电机 模 型 的正
ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ．Ｆ ｉ ｎ ａ ｌ ｌ ｙ ，ｔ ｈ ｅ ｍｕ ｌ ｔ ｉ － ｐ ｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｓ ｓ ｔ ｅ ａ ｄ ｙ ｃ ｏ ｍｂ ｉ ｎ ｅ ｄ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｗ ａ ｓ ｂ ｕ ｉ ｌ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈ Ｍａ ｘ ｗｅ ｌ ｌ ａ ｎ ｄ ＡＮＳ ＹＳ
而 进入定 子 齿 。 当转 子在 上述 两种 位置 之 间不 断运
图 ４ 永磁气隙磁密分布
图５ 电枢反应磁密分布
２ ． ２电机空 载特 性
动时 ， 绕组 中匝链 的永 磁 磁 通 在 正 负最 大 值 之 间不
断变化 ， 实 现 了所 谓 的磁通 切 换 。
定 １ 于 永 磁 Ｉ 体 定 ／ 子 永 磁体
０引 言
长 期 以来 ， 国 内外学 者 研 究较 多 的永 磁 电机 大 多是转 子永 磁 型 ＿ １ Ｊ ， 即将 电枢 安 装 在 定 子 ， 永 磁 体
置 于转 子 。然而这 种 结 构 具有 一 定 的局 限性 ， 同 时
切换 电机 ， 它 同时存 在两个 不 同的磁 势源 ， 永磁 体在 气 隙中产生 一个 基 本 不变 的磁 通 ， 通 过 改 变励 磁 绕 组 电流 的方 向和 大小 ， 使得 气 隙中磁通 发生 变化 。
确性 和有效 性 。
优点 ， 但 国内外学者关于这方面 的研究仍有许多的
不足。
磁通 切换 电机 具有 功率 密度高 、 转子 结构 简单 、 适 合高 速运行 等优 点 Ｈ ， 它 主要 分为 三大类 ：
一
类 是永 磁 式磁 通 切换 电机 ， 其 气 隙磁 场 由永
１电机 的 结构 及 工 作 原 理
动势 ， 图 ８为 电机 空 载反 电势谐 波分 析 ， 从 中可 以看
关键词 ： 永 磁 电动 机 磁 通 切 换 ； 电磁性能 ； 温 度 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｍ３ ５ １ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ４ — ７ ０ １ ８ （ ２ ０ １ ４） ０ ３ － ０ ０ ２ ５ — ０ ４
Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍａ ｇ ｎｅ ｔ ｉ ｃ Ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔｅ ｍｐｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ Ａｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ａ Ｎｅ ｗｌ ｙ Ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈｅ ｄ Ｆｌ ｕ ｘ Ｐｅ ｒ ｍａ ｎｅ ｎｔ Ｍｏ ｔ ｏｒ
磁通 切换 是 指 绕 组 里 匝 链 的磁 通 （ 磁链 ） 会 根
据转 子 的不 同位 置 切换 正负极 性 和数值 大小 。在一
个转 子极 距范 围 内 ， 对应 着 电机 的一个 电周 期 ， 磁通
的数 量会 从最 大变 到最 小 ， 方 向从 进 入 绕组 到穿 出 绕组 。依 据 “ 磁阻最 小 原理 ” ， 磁 通 都是 通 过 磁 阻最
Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ，ｔ ｈ ｅ ｏ ｖ ｅ ｒ ａ ｌ ｌ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｏ ｆ ｔ ｈ ｉ ｓ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｗ ａ ｓ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ．Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｅ ｘ —
…
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新 型 永 磁 磁 通 切 换 电 动 机 的 电 磁 性 能 及 温 度 分 析
王 萍， 全 力， 朱孝勇
（ 江苏 大学 ， 镇江 ２ １ ２ ０ １ ３ ）
…
摘
要： 设计 一种新 型的永磁磁通切换 电机 ， 分析其 电磁性能 和各部件 的温度 分布 。首先 介绍 了电机 的结 构
类 型永 磁 电机 的原 因。 由图 ３ （ ｂ ） 可 以看 出 ， 该 位 置
时电枢 磁通 大部 分 进 入定 转 子 铁 心 ， 穿 过 永 磁 体 的
磁 力线 很少 。
图 ４为永 磁 磁 场 在气 隙上 的 分布 波 形 ， 图 ５为 电枢 电流 为额定 电流 １ ０ Ａ及 ３ ０ Ａ时 的气 隙磁 密分
和工作原理 ， 然后通过有 限元软件对 电机 的磁链 、 反电势等电磁性 能进行分析 ， 最后 ， 利 用 Ｍａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ 和Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ —
ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ软件建立该 电机 的多物理场稳态联合仿真模型 ， 得到电机 整体 的稳态温度分 布图 ， 将仿真结 果和实验结 果进 行 了分析 比较 ， 验证 了该模 型的有效性 。