12/10极永磁磁通切换电机结构参数对电磁性能影响研究朱德明1张富浩2（1南京电子技术研究所江苏省南京市2100392南京师范大学江苏省南京市210042）摘要针对三相12/10极永磁磁通切换电机，分析其工作原理并研究空载状态下电磁特性。
利用有限元分析软件Ansoft Maxwell，从变化电机的定子永磁体宽度、转子齿宽度及转子齿高度等角度，探索电机结构参数的改变对电机电磁特性的影响，助力电机优化设计。
关键词：永磁磁通切换电机有限元分析电磁特性中图分类号：Study on Influence of Structure Parameters on Electromagnetic Characteristics for 12/10 Flux-switching Permanent Magnet MotorZhu Deming Zhang Fuhao（1 Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing Jiangsu 210039, China2 Nanjing Normal University, Nanjing 210016 China）ABSTRACT:The operating principle and electromagnetic characteristics under no-load condition of 12/10 pole flux-switching permanent magnet motor（FSPM）are studied using the finite element analysis software Ansoft Maxwell in this paper. By changing the stator permanent magnet width, the rotor tooth width and the rotor tooth height, the influence of structure parameters on the no-load electromagnetic characteristics of FSPM is explored, which is helpful to its optimal design.KEY WORDS: flux-switching permanent magnet motor, finite element analysis, electromagnetic characteristic1 引言传统的永磁电机，其永磁体安装在转子上，随着电机转子转动，永磁体会受到较高的离心力。
虽然可以加装永磁体的固定装置，可是这种固定装置却变相的给电机的散热带来较大的不利影响，甚至导致永磁体出现不可逆的退磁现象，限制了电机的能效，减小了电机的功率密度。
而磁通切换电机的永磁体则固定在定子上，电枢绕组也集中在定子槽中，转子为凸极结构且简单坚固，便于电机的高速运行。
永磁体的磁场与电枢绕组的磁场并联，永磁体无较大退磁风险，且散热性能良好。
早在1955年，就有科学家提出了将永磁体嵌入定子的单相永磁磁通切换电机的设计，但是由于没有受到人们的重视，所以并没有取得较大发展。
随着对电机性能要求的提升以及永磁体材料的不断发展，1992年，Lipo等学者提出了将永磁体嵌入电机定子轭部的双凸极电机[1]，并对电机的性能进行了分析研究。
时至1997年，名为Hoang E. 的法国学者提出了将永磁体嵌入定子齿部的三相永磁磁通切换电机[2]，相邻永磁体的磁场方向相反，转子为一整体，没有永磁体，也没有绕组。
无论是永磁体嵌入在转子还是定子上，电机齿槽转矩较大仍旧是一个较大的问题，永磁磁通切换电机也不例外，甚至于因为其双凸极结构与较大的气隙磁场密度导致这个问题更加突出[3]，从而导致电机出现振动、噪声等问题，以至于使电机无法正常运行。
另外一个较大的问题就是，由于定子镶嵌永磁体，所以电机的磁场调节极为困难，有学者通过在永磁体周围添加励磁绕组来调节磁场大小[4]，这类电机被称为混合励磁磁通切换电机，较好的解决了调磁困难这一问题。
东南大学和南京航空航天大学在没有改变定子结构的基础上，提出新型三相双励磁磁通切换电机[6]，浙江大学则是在永磁体的端部增加了直流励磁绕组[7]，以此来增强或削弱气隙磁场，实现了电机在弱磁时的扩速，扩大了电机在一定功率下的调速范围，同时还可以在电机转速较低时，提供较大的转矩。
本文的研究对象是12/10极的双凸极永磁磁通切换电机，通过有限元软件Ansoft Maxwell对电机的电磁特性进行仿真研究。
在基础模型的基础上，对电机的结构参数进行变化，探究永磁体宽度，转子齿宽度，转子齿宽度等结构参数对电机电磁特性的影响。
2 FSPM工作原理2.1电机基本结构FSPM电机的结构与开关磁阻电机的结构较为类似，基本可以看成是在开关磁阻电机的定子槽之间加入窄长的永磁体，本文中研究的12/10极的永磁磁通切换电机的结构如图1所示。
定子上有12个定子槽，槽里分别是不同两相的绕组，组成双层绕组。
永磁体则嵌入在两个定子槽之间，相邻永磁体的磁场方向相反。
每个永磁体与其相邻的两个定子槽组成定子凸极，所以此磁通切换电机的定子共有12个凸极。
图1FSPM结构如图2所示，永磁体的磁场方向是相邻间相反，如所示。
所以，永磁体是交替充磁，从而有聚磁现象，也就是说，不需要采用很好的磁钢材料，也能有很好的效果，从而降低电机的成本。
图2磁场方向2.2磁通切换转子的10个转子对应于电磁的10个电极，即电机的极对数是10。
在转子旋转时，因为磁通总是通过磁阻最小的路线形成闭合曲线。
那么以其中某相绕组为例分析，当转子转过不同的角度时，会形成不同的磁通回路，从而改变绕组的磁链，形成感应电动势。
当转子在初始位置时，如图3所示，转子的一个极正对永磁体时，磁通通过永磁体两侧的定子齿和转子极形成闭合的回路。
此时，靠近这个永磁体的两个A相绕组的总磁链为零。
图3初始位置在定子旋转一定的角度（本文中约为9°机械角度）后，如图4所示，此时，转子的极不再与永磁体相对，而是和永磁体侧的定子齿相对，于是这个转子齿上产生了两路磁通回路。
图4旋转9°后可以看出，由于两个永磁体磁场方向相反所产生的聚磁现象，通过转子齿和定子齿的两条磁通并联，在A相中产生的磁链数值达到正向最大。
定子再次旋转约9°时，转子的一极与定子槽口相对，如图5所示，形成穿过2个转子齿的磁通回路。
由图可见，此时的A相中的总磁链值为0。
图5再次旋转9°当定子再次转动9°，到达另一侧的定子齿的位置，如图6所示，形成图示的两个闭合磁通回路，明显可见，此时A相的磁链值达到反向最大。
图6最终位置如此，随着转子的旋转，转子齿与定子槽的位置不断改变，并且以上述的四种情况为部分，周期性的发生变化，由此，使绕组的磁链发生周期性的变化，由磁链值由零到正向最大，再至零，然后再反向最大，再到零。
这就是磁通切换电机的“磁通切换”。
3建立模型并仿真分析本文所设计电机结构参数如下表所示。
表1电机尺寸参数参数数据值定子外径126mm内外径之比0.6气隙长度0.5mm轴向长度76mm定子齿数12转子齿数10定子轭高9.89mm每相电枢绕组匝数10电枢电流峰值4A永磁体个数12定子齿宽7.5°定子槽宽7.5°转子齿宽度10.5°转子槽宽度15°转子齿高20mm永磁体宽度9.89mm绘制电机模型，进行空载仿真分析，磁力线分布如图7所示。
图7电机磁力线分布三相磁链仿真波形如图8所示，绕组反电势波形如图9所示。
图8三相绕组磁链波形图9 绕组反电势波形由上述波形可以看出，电机磁场分布与原理部分介绍一致。
由于永磁磁通切换电机呈双凸极结构，在气隙周围分布的磁场包含了丰富的谐波分量。
由于永磁体切向周期性交换方向充磁的，所以尽管看到永磁体端部的与内部气隙接触面存在着一些漏磁通，但是电机的聚磁效应使得永磁磁通切换电机的气隙磁密仍然比其它电机要高出很多。
4 结构参数对电机的影响4.1 永磁体宽度将永磁体分为3个长方形，中间的那一块作为新的永磁体，旁边的两个用硅钢材料填充，也就是相当于定子的材料。
使用中间的长方形的宽作为变量，并且用其表示出旁边两块长方形的宽。
如此，建立结构参数化模型，给仿真分析带来了极大的便利。
永磁体半宽作为参数，当设置永磁体半宽从2.4mm，每次增加0.25mm，增加到4.9mm的一个过程，再对其进行仿真分析，仿真结果如图10所示。
图10永磁体宽度不同时某相绕组的磁链波形对比原因分析：由于在改变永磁体宽度的时候，变相的加宽了定子齿的宽度。
在选取永磁体宽度最小的时候做了仿真分析后，仿真出的磁感线分布如图11所示，对比原始模型的仿真结果图7来看，定子齿加宽后，通过定子齿的磁场线明显增多，而且通过定子轭部的磁场线也相应增多，所以电枢绕组的合成磁链增大，反电势也相应增大。
图11 永磁体宽度最小时磁场分布图同时对比磁感强度，同样可以发现，定子齿加宽后，定子齿、转子齿部与定子轭部的磁感强度均略有增强。
4.2 转子齿宽在之前的基础上，选择永磁体宽度最小，即宽度为4.8mm。
改变转子齿宽度分成两部分来实现，第一部分是减小转子齿宽，这一部分比较简单，在转子旁画上带有参数变量的长方形，再使用布尔指令切去转子齿与长方形有交集的地方。
也就是说，随着长方形的增大，转子齿被切去的部分也越大，转子齿宽度减小。
第二部分比较复杂，是在原转子齿的基础上进行加宽。
于是采用反向思维，先画一个与转子外径一样的园，使用布尔指令求出在转子齿之间的空白部分，再在求出的部分画出带有参数变量的长方形，求交集后，在与转子求并集。
这样就实现了增加转子齿宽度的要求。
随着长方形的增大，转子齿也越宽。
仿真结果如图12所示。
(a) 齿宽范围12.2mm—14.28mm(b) 齿宽范围14.28mm—16.8mm图12 转子齿不同宽度时某相绕组的磁链波形对比如图12所示，虽然在转子齿宽度减小的过程中，发生了些许偏移，易误以为随着齿宽的减小，绕组磁链发生了整体的上移。
但是仔细观察，根据箭头所指的方向，可以看出随着转子齿宽减小，绕组磁链幅值增大，而且随着转子齿宽的不断增大，绕组磁链不断减小。
因此，随着转子齿宽的减小，绕组磁链波形幅值增大。
4.3 转子齿高不改变气隙长度的前提下，改变转子齿高，变化范围：5.0mm—20.0mm。
仿真结果如图13所示，可以看出，在转子齿高为8mm时，绕组磁链减小；而在8mm至20mm中间，转子磁链基本不变。
所以可以得出，当8mm<转子齿高<20mm时，转自齿高度的变化对绕组磁链基本没有影响。
