五种拓扑结构的永磁同步电动机性能分析与比较
王艾萌，卢伟甫
(华北电力大学，河北保定071003)
摘要：优化设计了五种不同转子拓扑结构的永磁同步电动机，对这五种永磁同步电动机的参数、电机特性以及弱磁性能进行了分析比较研究，并且对其中一种结构的内置式永磁同步电动机进行了测试验证。
关键词：永磁同步电动机；拓扑结构；弱磁调速；有限元分析
中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2010)04—0020—04
O引 言
随着汽车工业的发展，能源和环境问题的日益突出，低耗、高效已经成为现代汽车发展的根本要求。汽车电机要求高起动转矩，能够在一个很宽的速度范围内保证恒功率输出，此外还要考虑到空间狭小等的限制。永磁电机以其效率高、功率密度高、体积小、重量轻，具有弱磁扩速潜力等诸多优点，成为电动汽车驱动电机的理想选择[1-3]。通过对永磁电机优化设计，可以使电动机的恒功率运行范围扩大，特别是永磁转子结构的不同对电机特性的影响已有研究[4-6]，文献[4]总结了各种不同永磁转子拓扑结构的性能比较，包括表面式、内置式单层、双层及多层永磁转子的特点。本文对五种永磁转子结构的永磁同步电动机进行了优化设计和有限元分析，结果对比说明了五种不同结构的特点及性能。
1永磁同步电动机的拓扑结构和优化设计
永磁同步电动机转子磁路结构不同，电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置不同，永磁同步电动机主要分为表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电动机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。
使用Anson有限元分析软件创建永磁同步电动机二维有限元瞬态模型，其基本参数如表l所示，空载磁力线分布图如图1所示。
2五种拓扑结构的性能比较
2．1转子永磁体参数比较
如图l所示，根据永磁体的形状和位置，将五种拓扑结构分别命名为表面式、传统内置式、分段内置式、v型内置式和w型内置式五种拓扑结构的基本参数都相同，不同的是每极转子永磁体的参数，如表2所示。
可见，内置式需要的永磁体较表面式少。因为内置式由于磁路不对称，有磁阻转矩产生，所以相对于表面式，在产生相同的输出转矩时，内置式用的永磁体量要少。
2．2空载反电动势和脉动转矩的比较
转矩波动主要由齿槽转矩和脉动转矩两部分组成。齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和铁心之间相互作用产生的转矩，会导致电动机产生振动和噪声。而常用消除齿槽转矩的方法有定子斜槽、转子斜极、减小定子槽口宽度、改变极弧系数等。定子斜槽在理想情况下可以完全消除齿槽转矩并且简单易行，因此得到广泛应用。本文的模型都是基于斜槽后的模型，因此齿槽转矩可以忽略不计。
脉动转矩定义为在一个周期内****转矩与最小转矩之差与平均转矩之比。脉动转矩主是由于感应电动势谐波和定子电流的谐波相互作用产生的谐波转矩，因此在电机设计过程中，应当尽量消除谐波。感应电动势的谐波主要与永磁体产生的励磁磁场在空间中的分布和绕组设计有关。为了减小脉动转矩，永磁体产生的励磁磁场在空间中的分布应尽可能按照正弦规律分布[7]。
对空载反电动势进行谐波分析，比较结果如表3所示。结果表明，表面式谐波含量****，分段内置式和w型内置式的电压谐波畸变率都比传统内置式的低，即谐波含量少，而v型内置式的谐波含量相对较大。
相应的额定电流下脉动转矩比较如图3所示。
可见，表面式脉动转矩最小，分段内置式和w 型内置式的脉动转矩比传统内置式的小，而V型内
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