韦立学，陈世元，郭建龙(华南理工大学电力学院，广州510640)
摘要：提出了一种新型结构的轮毂外转子双凸极永磁电机(DsPM电动机)，并以5 kw电动机为例给出了其基本尺寸方案。基于Vc++开发的有限元程序对电机空载、负载时的磁场和气隙磁密分布进行了深入的分析计算。分析了永磁体磁场和电枢磁场之间的相互耦合作用对气隙磁密的影响，所得结果为该电动机的设计、性能分析以及运行控制提供了依据。
关键词：双凸极；永磁电动机；轮毂电动机；有限元法
0 引 言
双凸极永磁电机(Doubly salient PennanentMagnet M0tor，简称DsPM)是在开关磁阻电机(sRM)基础上于90年代初发展起来的一种新型高效电机，同sR电机一样具有结构简单、牢固、容错能力强等优点，且具有比sR电机更高的效率。双凸极电机的结构与开关磁阻电机十分类似，呈双凸极，但在定子(或转子)内嵌有高性能永磁体。DsPM电磁原理和结构相当简单，但磁路周期性变化并存在严重的局部饱和，采用传统的等效磁路方法分析会带来较大的误差。为保证计算的准确，一般采用有限元法对电机电磁场进行数值计算。文中使用自编有限元程序对一种外转子8／12极双凸极永磁轮毂电机进行了二维有限元分析。
1 电机结构
根据桑塔那2000时代超人汽车的后轮轮毂的结构和尺寸大小确定本文电机的结构和尺寸如表1所示。电机结构如图l所示。定子为12极，转子为8极。定子空间相对的4个极串联的绕组为一相。图中只标出A相绕组(阴影部)。在该电机的定子上放有4块永磁铁。永磁铁采用烧结钕铁硼280／135，电阻率为150μΩ·cm，磁铁剩磁磁密为1．18 T，磁铁矫顽力为1 350 kA／m。硅钢片采用冷轧无取向Dw540150(通过文献[1]可以得到永磁铁的退磁曲线和硅钢片的直流磁化曲线)。每相绕组串联匝数为20匝，每相绕组电阻为2．0 Ω。定子固定轴采用磁导率非常低的材料做成，磁导率接近空气磁导率。
根据DSPM的结构和尺寸，电磁参数如下：额定相电压u=240 V，额定线电流，=12 A，额定功率P=5 kW，额定转矩T=12 N·m，额定转速n=4 000 r／mln．
2有限元分析
2．1基本假设根据双凸极永磁电机特点做如下假设：①不考虑铁磁材料的铁心损耗；②电机轴向为无限长，忽略边缘效应；③电机外缘漏磁场忽略不计；④忽略位移电流。
2．2 电磁场分析的数学模型和边界条件电机求解区域
如图l所示。在求解区域内向量磁位A满足二维非线性泊松方程式中：v为磁阻率，J为电流密度。
空载时电机电枢绕组不通电，电机磁场是由****磁钢建立的。把****磁钢等效为面电流密度Jpm表示，所以J=Jpm负载时电机磁场由永磁磁场和电枢磁场共同建立，此时J=Jpm+JC(JC为电枢绕组的电流密度)。电枢磁场单独作用时，整个电机磁场完全由电枢绕组产生，J=JC在分析中，载荷时电流密度取A／mm。。在电机外转子外边界上向量磁位满足A=O的边界条件。
2．3网格剖分
本文采用Matlab对电机模型进行剖分。为了便于说明转子位置，定义转子槽中心线与定子槽中心线重合的位置为O°。为求得完整的静态特性，需计算一个转子齿距，即O°～45°范围内不同转子位置的磁场，故要多次剖分。为减少计算量，本文每隔5°剖分一次。剖分前首先把材料属性和单元类型分配给几何模型中对应的各个区域，然后对模型进行网格剖分。电机整体剖分图如图3所示。Matlab把剖分所得到的结果分别存在p、e、t三个矩阵中，形成三个M文件。利用Matlab对电机进行剖分，不但剖分质量好，而且还可以减少程序开发的时间。
2．4有限元计算
现在市面上虽然有很多有限元计算的软件，如：Ansys、Ansoft Maxwell等，但是后处理的能力有限。所以计算和后处理部分采用自编的Vc++程序进行。实现方法是把剖分所形成的三个M文件移植到VC++有限元计算程序中进行计算和后处理。图3为有限元计算程序的流程图。
根据以上程序框图所实现的程序，初取电枢电流Ia=12 A，负载转矩TL=11．8 N·m，转速n=4 000 r／min，相电压μ=240 V，饱和迭代步长取0．75，外二层迭代步长取为0．85，饱和迭代误差取为O．001，外二层迭代精度都取为O．02。
这样通过程序的三层迭代调整计算，最后三层同时满足迭代精度时从里到外各层的迭代次数依次为8、l、57，共耗时14小时左右(计算时采用的是周期边界条件而不是整个圆截面。若用后者，三层迭代各进行一次都要用7小时左右，若要让程序三层迭代完全满足精度自动退出，在普通计算机上是无法实现的)。核算完成后得到以下参数值如表2。
2．5结果分析
在二维场中磁力线就是等A线。图4、图5、图6是转子在0°时的磁场图。图4为磁钢单独作用时的场图。图5为电枢电流单独作用时的场图。
图6为磁钢和电枢电流共同作用时的场图。由这3个图中可以看到电机在实际工作中的气隙磁场主要是由磁钢所产生的。图7为转子逆时针方向旋转10。时的场图。图8为转子逆时针方向旋转10°时的气隙中心线的磁密分布图。从图6、图7和图8中可以得到，当绕组中通过电流时，绕组电流产生的磁场和永磁磁场合成的结果是使永磁体的一边的磁场增强，另一边的磁场减弱，增强和减弱取决于绕组电流的方向。所以绕组电流作用的结果，使转子向磁场增强的方向转动，随着转子的转动，对三相绕组通入一定规律的电流，就能使电机连续的转动。由此还可以看出，电枢磁场不改变永磁磁场的大小，只是改变了永磁磁场的流向。
3结语
本文给出了一种新型外转子双凸极永磁电机的结构和尺寸。在Vcc++软件平台上开发了一套对该种电机进行有限元计算分析的程序。从场的角度分析永磁体磁场和电枢磁场之间的相互耦合作用对气隙磁场的影响，直观论证得出了电机运转的基本机理。所得结果在结构和电机运行原理上都是对汽车用轮毂电机的一种新的探索，同时也为该电机运行原理的进一步分析和电机的设计开发提供了一个平台，可以作为进一步工作的依据。
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