表贴式双凸极永磁电机优化设计与电磁性能分析-殷佳宁

表贴式双凸极永磁电机优化设计与电磁性能分析

[殷佳宁]

[江苏大学电气信息工程学院，212013]

[ 摘要] 虽然双凸极永磁(double-salient permanent-magnet，DSPM)电机具有高效率高功率密度的优点，但是其永磁体漏磁严重，从而导致永磁体利用率偏低。在稀土资源价格日益上涨、剩余量

逐渐减少的情况下，如何提高电机永磁体利用率显得尤为重要。为了提高电机永磁体利用率，

本文提出了一种新型12槽10极表贴式双凸极永磁(Surface-mounted double-salient

permanent-magnet，SM-DSPM)电机，并对此电机结构进行优化设计。在确定电机结构尺寸

的基础上，通过有限元分析软件对电机的磁通密度、气隙磁密、空载反电势以及输出转矩进行

了分析，并与传统的12槽8极DSPM电机进行比较。对比结果表明，12槽10极SM-DSPM

电机拥有更高正弦度的反电势和更小的转矩脉动，并且SM-DSPM电机永磁体用量更少，拥

有永磁体利用率更高的优点。可以预见，该电机在工业制造、电动汽车等领域有着很好的应用

前景。

[ 关键词]双凸极电机，永磁电机，表贴式，永磁体利用率

Optimal Design and Electromagnetic Performance Analysis of Surface-mounted Double-salient Permanent magnet

Motor

[Yin Jianing ]

[School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, 212013]

[ Abstract ] Double-salient permanent-magnet (DSPM) motor has the advantages of high efficiency, high power density, but its permanent magnet flux leakage is serious, which results in the

low utilization of permanent magnet. As the rare earth resources dwindle, it is significant to

improve the utilization of the permanent magnet in the motor. In order to improve the

utilization of the permanent magnet, a new 12-slot 10-pole Surface-mounted double-salient

permanent-magnet (SM-DSPM) motor is proposed in this paper. In the paper, the structure

design of the motor is optimized. After determining the structure size of the motor,

electromagnetic performance such as magnetic flux density, air-gap flux density, back EMF,

and the output torque were analyzed based on the finite element analysis software. And it is

compared with the traditional 12-slot 8-pole DSPM motor. According to the comparative

results, it is shown that the SM-DSPM motor has a higher-sinusoidal back EMF, less usage

of the permanent magnet, smaller torque ripple, higher utilization of the permanent magnets,

which indicates that the SM-DSPM motor will have a good application in industrial

manufacturing and electric vehicles field.

[ Keyword ] Doubly salient motor, permanent magnet motor, surface-mounted, utilization of permanent magnet

1前言

近年来，由于稀土价格飙升直接导致稀土永磁材料钕铁硼价格飞速上涨，短短几年涨幅高达5倍之多，这就导致了永磁电机制造成本大幅上升，阻碍了永磁电机在电动汽车、工业制造领域的推广应用。此外，稀土作为一种不可再生的战略资源，在其剩余量日益减少的情况下，稀土永磁材料供应的稳定性令人担忧。因此，如何在保证电机电磁性能的情况下，减小稀土永磁材料的用量，降低电机制造成本，已成为近年来研究的热点。目前在该方向的研究大多集中在采用非稀土永磁材料代替稀土永磁材料，或者是开发不含稀土元素的新型永磁材料，而对通过提高永磁体利用率来减小永磁体用量的研究比较少见。

通过配合使用非稀土永磁材料比如铁氧体的确可以减少稀土永磁材料的用量，甚至不使用稀土永磁材料，但是铁氧体性能远不如稀土永磁材料，电机的性能势必会有所降低。

为此，本文提出了一种12槽10极表贴式双凸极永磁(SM-DSPM)电机。与传统12槽8极双凸极永磁(DSPM)电机相比，该电机依然使用稀土永磁材料，但通过改变永磁体位置和转子极数，提高了永磁材料的利用率，从而减小稀土永磁材料的用量。此外，通过改变该电机绕组排列方式，使该电机具有更高正弦度的反电势波形，适合无刷交流运行。

本文首先介绍了SM-DSPM电机的几何结构及工作原理，并对电机结构进行优化设计；

然后分析了其静态电磁特性(包括磁通密度，气隙磁密，空载反电势，输出转矩)；接着重点对SM-DSPM电机和传统DSPM电机的永磁体利用率进行分析。分析结果表明，该电机具有更高正弦度的反电势波形，更小的转矩脉动和更高的永磁体利用率的优点。

2电机设计

2.1电机拓扑结构

本文提出的12槽10极SM-DSPM电机的结构截面图和装配图如图1所示，而传统12槽8极DSPM电机截面图如图2所示。SM-DSPM电机与传统DSPM电机的定转子均为凸极结构，但两者定转子极数配比不同。并且本文提出的SM-DSPM电机的永磁体覆盖于定子齿表面，充磁方向为径向充磁。而传统的DSPM电机的永磁体位于定子轭部，充磁方向为切向充磁。此外，两个电机的绕组连接方式也有所差异。本文SM-DSPM电机12个绕组正方向(右手定则)一致指向圆心或者背离圆心；而传统DSPM电机12个绕组以永磁体为界分为4组，每组绕组的正方向相同，并与相邻组的正方向相反。