新型永磁磁通切换电动机的电磁性能及温度分析

…．苎＿堕皇＿棚…　主兰竺塑　………………………………　…　

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２１２０１３）　

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　

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Ｍａｘｗｅｌｌ和ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋ—　

ｂｅｎｃｈ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。　

关键词：永磁电动机磁通切换；电磁性能；温度　

中图分类号：ＴＭ３５１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００４—７０１８（２０１４）０３－００２５—０４　

Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａ　Ｎｅｗｌｙ　Ｓｗｉｔｃｈｅｄ　Ｆｌｕｘ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍｏｔｏｒ　

ＷＡＮＧ　Ｐ打曙，ＱＵＡＮ　Ｌｉ，ＺＨＵＸｉａｏ—ｙＯｎｇ　

（Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ　２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｅｗ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｓｗｉｔｃｈｅｄ　ｆｌｕｘ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｍｏｔｏｒ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ＇ｓ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｅｒ—　

ｆｏｒｍａｎｅｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐａｒｔｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｓｅｄ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　

ｔｈｉｓ　ｍｏｔｏｒ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｉｔｓ　ｓｔａｔｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｊｕｓｔ　ａｓ　ｆｌｕｘ　ａｎｄ　ＥＭＦ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｓｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａ—　

ｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ－ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｆｉｅｌｄｓ　ｓｔｅａｄｙ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｂｕｉｌｔ　ｗｉｔｈ　Ｍａｘｗｅｌｌ　ａｎｄ　ＡＮＳＹＳ　

Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ，ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｏｔｏｒ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｅｘ—　

ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｔｏ　ｖａｌｉｄａｔｅ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅ１．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｗｉｔｃｈｅｄ　ｆｌｕｘ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　

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　

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　

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　

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　

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　

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　

收稿日期：２０１３—０９—０５　基金项目：国家自然科学基金项目（５０１０７０６７）　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。　

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　

转子式磁通切换电机的研究　Ｊ，对于外转子式磁　

通切换电机的研究国内外鲜有报道。本文提出了以　

三相１２／２２极外转子式定子永磁型磁通切换电机为　

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　

确性和有效性。　王　

萍　’　等　

１电机的结构及工作原理　：　！／ｌｉｌｔ　：ｌ奇　１．１电机的基本结构　棼　

三相外转子式定子永磁型磁通切换电机结构如ｉ仞　

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！　

绕组，永磁体嵌在定子铁心内，与空气不直接接触，；ｚ５　

新型永计　斩　．　触峙电棚　２ｏ１４年第４２卷第３期　……ｃ，　：／　砌　ｚ　…一．…………一一一一一一一…………．一…………一…一一…一…－一　……………．…一　一…一一一：一……一．一　

绕组采用集中绕组，每４个线圈串联成一相绕组。　

图１电机结构图　

１．２磁通切换的原理　

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　

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　

不变，但对绕组而言，路径完全相反，为穿出转子极　

而进入定子齿。当转子在上述两种位置之间不断运　

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　

匾匪　匾　

Ｉ！Ｌ，转子　ｌ　ｉ　Ｉ　厂ｊ　ｉ一［茎三　Ｉ　Ｌ　广！二＝＝　一’］　１　二：：：＿＿Ⅲ二：。，：！　

王！　（ａ）磁通穿出绕组　（ｂ）磁通穿入绕组　图２磁通切换原理　萍　等；２电机的电磁分析　

２６　２．１磁场分布　

由于电机实际运行时，电机中同时存在永磁体　

和电枢电流，其共同作用产生了气隙磁场，故分析永　

磁体和电枢电流单独作用时产生的磁场。图３（ａ）　

为永磁体单独作用时产生的磁场分布，图３（ｂ）为　

０。转子位置角只给Ａ相绕组通入直流电时磁场的分　

布。由图３（ａ）可以看出，永磁体在内部气隙有一定　

（ａ）永磁体产生的磁场　图３　（ｂ）电枢产生的磁场　磁场分布　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　

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１０　Ａ及３０　Ａ时的气隙磁密分　

布波形。永磁磁密峰值接近１．７　Ｔ，电枢电流１０　Ａ　

及３０　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。　

一１．５　

卵）　ｏ／ｃ　）　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　

电机在额定转速７５０　ｒ／ｍｉｎ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　

动势，图８为电机空载反电势谐波分析，从中可以看　

出，电机的反电动势接近于正弦波，对其进行谐波分　

析，电机的谐波畸变率为４．９６％，除了一次谐波较　

大，其余的高次谐波较小，基本可以忽略不计，说明　

电机的反电势正弦度很高。图９为电机的定位力矩　

波形，电机定位力矩很小，电机脉动很小，运行可靠。　

Ｏ．Ｏ８　０．０５　０．０３　０　．Ｏ．Ｏ３　．Ｏ．０５　．０．０８　ｔ／ｍｓ　图６空载磁链波形　

谐波次数　

图８反电势谐波分析　

３电机的温度分析　０　１．２５　２．５０　３．７５　ｔ／ｍｓ　图７电机空载反电动势　

Ｏ　１．２５　２．５０　３．７５　ｔ／ｍｓ　图９定位力矩波形　

在电机运行过程中，电机各部分的温度对电机　

运行时的可靠性和电机本身的寿命起着决定性的影　

响。故在电机设计的初始的阶段，对电机本体的温　

新型永…蔓整童＿棚…　！蔓　塑　………………………………　…　

度分布进行分析是十分必要的。对传统的电机温度　

场分析，一般采用热路法或者是热网络法，通过假设　

和简化，最后形成经验公式，其计算所得到的结果一　

般认为是整个电机的平均温度，计算结果并不能很　

好地体现出电机本体各部分的温度情况。与此同　

时，在实际的电机运行情况下，电机的整个运行情况　

相当复杂，其内部各部分温度分布也各不相同。对　

于一个复杂的运行情况下的电机，对其进行电磁场　

和温度场的多物理场耦合分析是十分重要的。本文　

首先在Ｍａｘｗｅｌｌ中对电机进行建模仿真，得出相应　

的损耗，再利用ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ与Ｍａｘｗｅｌｌ联合，　

进行电机的稳态温度场的联合仿真，仿真结果可以　

得出电机的每个部位的基本温度的分布云图，对计　

算所得出的仿真结果和实验所得出的结果进行比较　

分析，进一步验证本文所提出的电机模型的正确性　

和有效性。　

３．１温度场计算方法　

为简化电机温度的计算，对电机模型进行一定　

的假设：假定电机沿轴向方向是连续分布的，且电机　

轴向温度的梯度为零。对电机进行有限元分析，将　

热力学的第一定律应用到一个微元体上，二维温度　

场的热平衡微分方程表达式　７Ｊ：　

（Ａ　）＋　（Ａｙ　ｏｄｙｒ）＋ｇ（　

（１）　

对于稳态热传递而言，温度分布对于时间的变　

化率为零。热平衡的微分表达式：　

（Ａ　）＋　（Ａｙ　ＯｄｖＴ）＋ｑ（ｘ，ｙ）＝０（２）　

式（１）、式（２）中：Ａ　，Ａ　是材料沿　，Ｙ两个方向的导　

热系数。　

为求解上述方程，还需给定边界条件。常见的　

边界调节分为三类：　

（１）温度边界条件：　

Ｔ１　＝Ｔｏ　（３）　

（２）热流边界条件：　

Ａ　ｌ　ｆ２＝ｇｏ　（４）　

（３）对流换热边界条件：　

Ａ　Ｉ　＝一Ｏｔ（Ｔ一　）　（５）　

式（３）一式（５）中：　是边界温度；ｇ。是热源；　与　

分别代表周围介质的温度和边界的散热系数。　

３．２电机各部件的导热系数、热生率及散热系数　

求解时，将电机各部分均视为均质发热体，忽略　

轴向传热，即电机轴向各截面的温度相等，材料各向　

同性。永磁体的导热系数为１５　ｗ／（ｍ・Ｋ），硅钢片　的导热系数为４０　Ｗ／（ｍ・Ｋ），导线导热系数为３８０　

Ｗ／（ｉｎ・Ｋ）。　！　

电机在运行过程中会产生损耗，这些损耗大部　

分转换成热量，与周围环境进行换热，最后达到温度　

的稳态平衡。电机的损耗可以分为铜耗、铁耗、机械