上一篇文章指出,对于传统的表贴式电机,忽略饱和和漏磁,当永磁体的厚度约为气隙长度的5倍时,气隙磁密度达到“拐点”。通过选择该厚度,可以获得更高的气隙。间隙磁密度。本节前半部分讨论饱和和漏磁,后半部分讨论磁极优化。
首先是考虑饱和后的磁路和漏磁。在5倍气隙长度时,单位值气隙磁密度约为0.75。以N38UH为例,其剩磁密度Br为1.23T。该状态下,气隙磁密为Bg=1.23*0.75=0.9225T,这部分磁密完全进入定子齿部,定子齿部磁密将接近1.8T,饱和度较高。此时铁芯的磁阻对磁路影响很大,不可忽视。
下面给出考虑饱和后的处理步骤。
1、忽略饱和和漏磁,根据永磁体厚度和气隙长度计算此时气隙磁密度标准单位值K,进而计算气隙磁密度Bg。
2. 选择1/2 定子齿位P,并在此计算齿距与齿宽的比值k。那里的磁密度为Bg*k。
3. P处的磁密度大约是整个齿的磁密度。参考B-H和B-ur曲线(如图2所示),选择相应的相对磁导率,然后计算整个齿的磁阻。
图2 30ZH105 BH曲线
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4. 定子磁轭和转子磁轭的磁通量可直接通过(每极磁通量/磁轭宽度)粗略计算。分别计算各种磁阻。
5、根据计算结果,得到定子磁阻Rs和转子磁阻Rr。代入上节给出的等效磁路图,即可得到新的气隙磁密度标准单位值K’。
6. 重复步骤1-5,直到新的单位值与上次计算结果的误差满足要求。
这一步是纯粹的迭代计算,可以编写相应的计算程序来代替手工计算。另外,为了减少迭代次数,可以将步骤1中输入的平均单位值作为最近的两个单位值的平均值代入计算。
如果最终的磁密计算结果与目标磁密偏差较大,则需要改变磁钢的厚度重新计算。
通过上述过程,可以在永磁体设计过程中考虑饱和效应。至于漏磁部分,对于表贴式永磁电机来说,漏磁系数很小,对磁路的影响可以忽略不计。
简单说一下永磁体的优化
根据不同的优化目标,如齿槽转矩、输出转矩、气隙磁场等,永磁体形状有不同的优化方法。接下来我们只介绍表贴式永磁电机,以正弦气隙磁场为优化目标。
从实现方法来看,主要有两种方法:一是改变永磁体的分布,二是调制永磁体产生的磁场。
改变永磁体的分布,就是改变一极下磁动势的均匀分布,使其沿转子圆周的正线排列。简单来说,就是中间高、两端低。常见的方式有以下几种:
1、永磁体偏心,如图2所示。
图2 偏心永磁体
2、不等厚磁钢,如图3
图3 不等厚永磁体
3、相同厚度的不同材料
图4 等厚度的不同材料
脉宽调制阵列
图5 脉宽调制布置
从图2至图5可以看出,当改变永磁体的磁动势分布时,永磁体要么需要特殊加工,要么需要特殊排列,这无疑会增加生产成本。这个问题可以通过调制永磁体的磁场来解决。分别如图6和图7所示。
图6 非均匀气隙磁场调制
图7 PWM型磁场调制
不同方法各有优缺点,实际应用时应注意筛选。