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摘要：在本文中，進行了不同以往設計的嵌入式V型磁鐵的永磁同步電動機（PMSM）與嵌入式U型磁鐵的電機在每一對電極的比較。表明了U型磁鐵的電動機與V型磁鐵型能產生同樣的電效能。
介紹
嵌入式磁鐵型永磁同步電動機（PMSM）被認為是在一個范圍廣泛的變速驅動器。嵌入式磁鐵相比于表面磁鐵型的設計具有很多優點。通量濃度可以取得引起更高的氣隙磁通密度的效果。更高的氣隙磁通密度使機器轉矩的提高成為可能。嵌入式磁鋼結構也讓形成空氣間隙和達到更平穩的轉矩成為可能。轉子生產也更簡單了。一些不同的嵌入式磁鋼轉子如圖1所示。
嵌入式磁鋼將磁鐵設計為細長狀但數量不變，這使減小磁阻成為可能。使用V型或徑向磁鐵的嵌入式磁鋼對減少磁阻有所限制，U型磁鐵的設計在每一極都有V型和徑向磁鐵的良好性能。然而，U型磁鐵的設計在每一對電極都可能進一步的減少磁阻。
在本文，V型磁鐵和U型磁鐵兩種嵌入式磁鋼在每一對電極都做了比較。通過時間步和靜態計算的有限元方法進行了分析，這些機器磁性的寬度和長度也進行了考慮。
電機設計
嵌入式磁鋼內部轉子的設計使轉子的裝配比其它類型的設計都要簡單。轉自盤保證磁鐵在合適的位置并且不需要額外的加固繃帶。磁鐵嵌入在復合轉子鐵的沖壓槽。V型嵌入式磁鋼設計如圖2所示，U型嵌入式磁鋼設計如圖3所示。
a) b) c)
圖1：嵌入式磁鋼電動機的轉子結構切向磁鐵、徑向磁鐵、V型磁鐵
圖2：12極V型磁鐵永磁電動機設計
圖3：12極每一對電極U型磁鐵永磁電動機設計
這兩種電動機的唯一不同在于他們的內轉子結構。磁鐵的面積是一樣的，而且在如圖3的磁鐵結構中，每一極都更細更長。同時，磁鐵的每一極具有同樣的寬度和長度的結構也是考慮過的。此外，磁鐵間的各種大小的鐵支架和空氣間隙也是一樣的。
U型設計的磁鐵塊數量減少到V型設計的3/4。這為將磁鐵嵌入轉子節省了時間。
計算結果
V型和U型電動機設計的電氣性能是有計劃的。電機數據研究如表1所示。利用時間步的有限元法完成了計算，也研究了不同負載的性能。計算了電壓源并且采用角接法。由于轉子的不同結構，每種結構的兩極都進行了建模。電路計算如圖4所示。在電路中有三個電壓源，六個繞組連接，三個端部繞組電阻和三個端部繞組電感。在所有的時間步計算中，定子的電壓相角和振幅是一樣的。計算是以不同的轉子角開始并以順便現象結束，利用的是恒定的轉子速度。
三個實例的磁通線設計為額定負載如圖5-7所示。也能看見緊縮的磁通量。U型設計中的每一對電極都是不同的，這代表兩極之間的結構是不對稱的。在圖5、圖6，每一個轉子電極的磁鐵長度、寬度和面積都是一樣的。
圖8將額定負載下U型A和V型設計的定子齒的磁通量密度計算以時間函數的形式展示。可以看到不同設計的效果。這比較而言是小的。可以看出，對于我們的U型、A設計，磁通量的絕對值是在兩極之間呈周期對稱的。在U型、B設計中磁通量也是對稱的。可以看到無偏差的對稱。
表1：電動機數據
軸高度 280 mm
功率 27.5 KW
電壓 370 V
電流 45 A
極數 12
轉速 300 rpm
圖4：電路計算
圖5:額定負載的緊縮磁通量，原始設計（V型）
圖6:額定負載的緊縮磁通量，新設計A（U型、A）
圖7:額定負載的緊縮磁通量，新設計B（U型、B）
圖9表示V型和U型A設計的磁通量密度只由不同轉子角的定子齒中的磁鐵產生。每一個轉子電極的磁鐵長度和寬度都一樣。V型和U型A的磁通量密度最大值和平均值分別是1.463 T, 1.420 T 和 0.932 T, 0.926 T。U型A的磁通量密度稍小是因為磁鐵之間間隙的小影響。
我們三個實例設計的額定負載和最大負載通過時間步法計算出來了。在表2，計算結果和V型設計的試驗結果進行了比較。可以看出V型設計的計算結果給出了正確的電流。定子繞組的銅損失用效率η的計算考慮。其它的損失很小。
圖8：額定負載下U型A和V型設計的定子齒的一個周期內的磁通量密度
圖9：V型和U型A設計的磁通量密度只由不同轉子角的定子齒中的磁鐵產生
從表中首先看出U型A的每電極所有磁鐵的長度和厚度的計算結果是與V型設計一樣的。其次看出U型B的每電極的磁鐵更長并且更薄。磁鐵的厚度、寬度和面積是以毫米為單位在表中顯示的。V型設計的實際尺寸也就是U型尺寸是與V型設計尺寸相符合的。
U型A的輸出轉矩最大值比V型設計更小并且具有一個較小的負載角差，這是由于磁鐵間更小的磁阻轉矩和金屬橋的影響。轉矩和磁阻轉矩如圖10所示。
表2：額定負載的結果比較
測量 計算 計算 計算
V-型 V-型 U-型A U-型B
Tn[Nm] 875 875 875 875
In[A] 46.5 45.5 45.8 45.4
Cos ω 0.993 0.997 0.997 1.000
η 0.929 0.946 0.939 0.938
Angle 32.6 29.7 25.4
Tk [Nm] 1,688 1,557 1,418
Ik [A] 122.5 113.8 98.5
Cos ω 0.856 0.841 0.804
Angle 114.1 111.5 99.2
Magnets thickness 7.3 7.3 5.15
Magnets width 52 52 72.2
Magnets area 379.6 379.6 371.83
圖10：V型和U型設計的電動機轉矩和磁阻轉矩與負載角的函數關系
圖11：功率因數與轉矩的函數關系
V型設計的磁阻轉矩比U型設計的大，是因為轉子的磁結構。通過比較U型A和U型B設計的轉矩大小也可以看出減小磁鐵厚度的影響。磁阻和最大轉矩比厚磁鐵小。
V型和U型設計的功率因數與轉矩的函數關系如圖11所示。U型A設計的電動機功率因數比標準值高并且隨著轉矩升高而變小。電動機的標準轉矩是875 Nm并且通常電動機是在部分載荷和不同轉速下工作的。因此，U型磁鐵的電動機通常在轉矩范圍內會有更好的功率因數。由于更小的磁阻，轉矩最大值也會減少。由于V型B設計的磁鐵更長更薄，那可以預期出在額定負載的情況下會獲得更小的轉矩最大值和更高的功率因數。
V型和U型A設計的轉矩有顯著性的差異。這一點如圖12所示。對于U型A設計，轉矩的振動是隨著磁鐵的頻率在定子相。V型設計的振動頻率是U型頻率的一半，是因為V型設計是兩塊磁鐵轉變到一個定子相，U型A設計是一塊磁鐵轉變到一個定子相。此外，振幅比V型設計小。
圖12：V型和U型A的轉矩振動
結論
以上表明，U型磁鐵式永磁電動機的磁鐵在每一對電極的工作效果與傳統的V型磁鐵式永磁電動機的每個電極一樣好。此設計中極對數的不對稱結構引起了磁場空氣間隙的不對稱。這個設計使利用同數量的磁鐵獲得更高的通量密度成為可能。磁鐵塊的數量也減少了。
U型A設計的轉矩振幅相比V型設計太高了。這應避免在磁鐵和空氣間隙附近用不同的定子槽或者金屬結構。
總之，這個新的解決方案提供了生產具有更好的功率因數和效率的嵌入式永磁電動機的可能。
