新型轴向磁场磁通切换型永磁电机外围漏磁有限元处理方法
张磊，林明耀，李鑫
(东南大学，江苏南京210096)
摘要：针对轴向磁场磁通切换型刃(磁电机，提出了一种电机外围漏磁有限元处理方法——能量法，即电机有限元模型外嗣模拟空气环境的虚拟空气罩尺寸的确定方法。不同虚拟空气罩尺寸下，工作气隙永磁磁通幅值计算结累的变化趋势说明了该方法的可行陛。研究表明，使用该方法可以在计算时间和精度之间实现****化，该方法同样可以推广到双凸极电机等定子永磁型电机的有限元分析。
关键词：外围漏磁；能量法；虚拟空气置：永磁电机；有限元仿真
中国分类号：tm351 文献标识码：a 文章编号：1004—7018(2010)01—0009—04
0 引言
传统的永磁电机将永磁体放置在转子上，为防止电机高速运行时永磁体受到离心力作用而被甩落，通常在转子上安装不锈钢或非金属纤维材料制成的固定套，但这会导致转子散热困难。过高的温升会使永磁体发生不可逆退磁，限制电机出力，减小电机输出功率。近年来，以新型双凸极永磁(以下简称dspm)电机和磁通切换型永磁(以下简称fspm)电机为代表的定子永磁电机可以较好地解决上述问题[1-4]。图1为一台三相12／10极径向磁场磁通切换型永磁(以下简称rffspm)电机截面图，该电机通过定、转子相对位置的变化，引起电机内磁路改变，从而使得电机内的电磁场发生变化，以实现电机的电动或发电运行。但是由于将永磁体置于定子中，电机外围漏磁将导致感应电势幅值的有限元计算结果大于实测值[5]。为了使有限元计算结果更接近实际情况，建模过程中，应该计及电机外围漏磁的影响，习惯的做法是在电机有限元模型外围加上模拟空气环境的虚拟空气罩，然而附加的虚拟空气罩在剖分、求解及数据后处理过程中都会增加丁作量，延长求解时间。冈此，确定空气罩的尺寸，
在计算时间和求解精度之间达到****化，不仅具有重要的理论意义，也具有很好的应用价值。
目前，有限元建模时，在电机外围加模拟空气环境的虚拟空气罩的做法已被广泛采用，但有关确定其尺寸的方法尚未见诸文献。本文以一台三相12／10极轴向磁场磁通切换型刀(磁(以下简称aff一spm)电机为例，基于全场域三维有限元分析方法，提出了一种在有限元程序中容易实现的电机外围模拟空气环境的虚拟空气罩尺寸确定方法——能量法，分析了不同虚拟空气罩尺寸对该电机工作气隙永磁磁通幅值计算结果的影响。最后，运用此法对一台三相12/10极rffspm电机有限元模型中电机外围的虚拟空气罩尺寸进行分析,说明提出的方法对二维有限元仿真分析同样适用。
1能量法
1．1仿真模型
本文所研究的能量为电机有限元模型中所有单元磁共能之和。每个单元的磁共能为：
式中：b为磁密矢量；h为磁场强度矢量；he为磁矫顽力。在affspm电机中，磁位矢量z受如下方程组约束：
所研究的affspm电机由两个相同结构的外定子和一个内转子组成。凸极定子由u形定子铁心、****磁铁、电枢绕组组成，永磁体放置在两个u形铁心之间，电枢绕组为集中绕组；转子为凸极铁心，其上既无永磁体也没有绕组，结构简单。图2为该电机的平面展开图。该电机的工作机理可以简单描述为：定、转子相对位置变化，引起电机内磁路改变，进而使得每个电枢绕组所匝链的永磁磁通发生交变，即磁通的方向从定子进入转子到从转子进入定子，大小在****值和最小值之间周期性变化。根据法拉第电磁感应定律，每个电枢绕组两端的导体中就会产生-幅值和相位交变的感应电动势，当电枢绕组与负载相联，就可输出交流电流，即实现电机的发电运行。根据电机可逆原理，该电机也可作为电动机运行。
affspm 电机的磁场呈三维非线性分布，难以将其简化成二维场进行分析计算。在其三维有限元模型中，通过在电机径向外围和内侧加模拟空气环境的虚拟空气罩，来计及径向外围和内侧漏磁对计算结果的影响。考虑到轴向外围漏磁，在电机两侧定子端部也加上模拟空气环境的虚拟空气罩，如图3a所示。为便于观察，图中只显示了一侧定子的模型。为了确定三个虚拟空气罩 |
