新型軸向磁場磁通切換型永磁電機外圍漏磁有限元處理方法
張磊，林明耀，李鑫
(東南人學，江蘇南京210096)
摘要：針對軸向磁場磁通切換型永磁電機，提出了一種電機外圍漏磁有限元處理方法——能量法，即電機有限元模型外圍模擬空氣環(huán)境的虛擬空氣罩尺寸的確定方法。不同虛擬空氣罩尺寸下，工作氣隙永磁融通幅值計算結(jié)果的變化趨勢說明了該方法的可行性。研究表明，使用該方法可以在計算時間和精度之間實現(xiàn)****化，該方法同樣可以推廣到雙凸極電機等定子永磁型電機的有限元分析
關(guān)鍵詞：外圍漏磁；能量法；虛擬空氣罩；永磁電機；有限元仿真
O引 言
傳統(tǒng)的永磁電機將永磁體放置在轉(zhuǎn)子上，為防止電機高速運行時永磁體受到離心力作用而被甩落，通常在轉(zhuǎn)子上安裝不銹鋼或非金屬纖維材料制成的固定套，但這會導致轉(zhuǎn)子散熱困難。過高的溫升會使永磁體發(fā)生不可逆退磁，限制電機出力，減小電機輸出功率。近年來，以新型雙凸極永磁(以下簡稱DsPM)電機和磁通切換型永磁(以下簡稱FsPM)電機為代表的定予永磁電機可以較好地解決上述問題。圖l為一臺三相12／10極徑向磁場磁通切換型永磁(以下簡稱RFFsPM)電機截面圖，該電機通過定、轉(zhuǎn)子相對位置的變化，引起電機內(nèi)磁路改變，從而使得電機內(nèi)的電磁場發(fā)生變化，以實現(xiàn)電機的電動或發(fā)電運行。但是由于將永磁體置于定子中，電機外圍漏磁將導致感應電勢幅值的有限元計算結(jié)果大于實測值。為了使有限元計算結(jié)果更接近實際情況，建模過程中，應該計及電機外圍漏磁的影響，習慣的做法是在電機有限元模型外圍加上模擬空氣環(huán)境的虛擬空氣罩，然而附加的虛擬空氣罩在剖分、求解及數(shù)據(jù)后處理過程中都會增加工作量，延長求解時間。因此，確定空氣罩的尺寸，在計算時間和求解精度之間達到****化，不僅具有重要的理論意義，也具有很好的應用價值。
目前，有限元建模時，在電機外圍加模擬空氣環(huán)境的虛擬空氣罩的做法已被廣泛采用，但有關(guān)確定其尺寸的方法尚未見諸文獻。本文以一臺三相12／10極軸向磁場磁通切換型永磁(以下簡稱AFF—sPM)電機為例，基于全場域三維有限元分析方法，提出了一種在有限元程序中容易實現(xiàn)的電機外圍模擬空氣環(huán)境的虛擬空氣罩尺寸確定方法——能量法，分析了不同虛擬空氣罩尺寸對該電機工作氣隙永磁磁通幅值計算結(jié)果的影響。最后，運用此法對一臺三相12／10極RFFsPM電機有限元模型中電機外圍的虛擬空氣罩尺寸進行分析，說明提出的方法對二維有限元仿真分析同樣適用。
1能量法
1．1仿真模型
本文所研究的能量為電機有限元模型中所有單
元磁共能之和。每個單元的磁共能為：
式中：B為磁密矢量；H為磁場強度矢量；H為磁矯頑力。在AFFsPM電機中，磁位矢量z受如下方程組約束：
式中：J為電流密度矢量；μ為磁導率；
這樣，磁場儲能在源區(qū)可以表示為：
所研究的AFFsPM電機由兩個相同結(jié)構(gòu)的外定子和一個內(nèi)轉(zhuǎn)子組成。凸極定子由u形定子鐵心、****磁鐵、電樞繞組組成，永磁體放置在兩個u形鐵心之間，電樞繞組為集中繞組；轉(zhuǎn)子為凸極鐵心，其上既無永磁體也沒有繞組，結(jié)構(gòu)簡單。圖2為該電機的平面展開圖。該電機的工作機理可以簡單描述為：定、轉(zhuǎn)子相對位置變化，引起電機內(nèi)磁路改變，進而使得每個電樞繞組所匝鏈的永磁磁通發(fā)生交變，即磁通的方向從定子進入轉(zhuǎn)子到從轉(zhuǎn)子進入定子，大小在****值和最小值之間周期性變化。根據(jù)法拉第電磁感應定律，每個電樞繞組兩端的導體中就會產(chǎn)生幅值和相位交變的感應電動勢，當電樞繞組與負載相聯(lián)，就可輸出交流電流，即實現(xiàn)電機的發(fā)電運行。根據(jù)電機可逆原理，該電機也可作為電動機運行。
AFFsPM電機的磁場呈三維非線性分布，難以將其簡化成二維場進行分析計算。在其三維有限元模型中，通過在電機徑向外圍和內(nèi)側(cè)加模擬空氣環(huán)境的虛擬空氣罩，來計及徑向外圍和內(nèi)側(cè)漏磁對計算結(jié)果的影響。考慮到軸向外圍漏磁，在電 |
