外转子永磁电机分析优化

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1、电气牵引2015年第1期(总第129期)外转子永磁电机的分析优化Wenqiangchu，Ziqiangzhu，Yangshen【摘要】本研究提出了一种在外转子永磁(PM)电机中对单位体积最大力矩的优化分析模型，其中最大可实现的空隙磁通密度取决于空隙直径与外径的分流比，定子槽面积为分流比、空隙磁通密度及在槽底定子直径与空隙直径的定子分流比的函数。在考虑或不考虑最大可实现空隙磁通密度由分流比限制的情况下通过分析得到最优化的分流比、定子分流比和空隙磁。另外，空隙磁通密度分布、槽与极的数量、槽的形状、齿尖、端绕组、转子轭、内径对最

2、优设计的影响都进行讨论。有限元分析和试验的结果验证了分析的正确性。结果显示当平均空隙慈通密度稍低于最大定子磁通密度一半时外转子永磁电机的力矩密度为最大径与空隙直径的比)的函数。因此，之前根据内转子1介绍永磁电机的分析模型不适用于外转子永磁电机。由于高力矩密度和效率，永磁(PM)电机在各种当内外直径固定时，外转子永磁电机的优化~n[13，应用中越来越流行，例如：电气车辆、可再生能源及14]所述．分析力矩的表达方式通过固定空隙磁通密工业自动化等。因此永磁电机的优化成为最重要的度到其最大可实现值来开发，定子齿宽与定子轭厚主题之一

3、并在著作中广泛讨论。度可相应地计算出。因此力矩仅为分流比的函关于优化的大部分讨论是针对具有内转子的电数。然而，根据研究模型通过数学分析得到最优化机【卜121。在[1]中，同步电机的输出系数第一次表的分流比太过于复杂，所以最优化的分流比可通过达为外径、空隙直径、有效轴长度、磁负载和电负载扫描来获得。尽管结果显示最优化的分流比很高并的函数。在[2]中，输出力矩明显受分流比的影响，即接近1，这一点已经众所周知，且不能获得最优分流空隙直径与外径的比例和磁通密度比，就是空隙磁比的分析表达式，因此仍然不能直接获得最优的设通密度与定子中

4、磁通密度的比例。考虑到各种设计，所以还是几乎没有应用到电机的设计中。计特性，文献【2—9】中对内转子永磁电机单位体积最大力矩的最佳分流比进行了设计和研究。分流比在总成本及热性能方面的影响在[1O，111进行了单独的讨论。最佳磁通密度比在[1，8]进行了讨论。永磁尺寸与结构对无刷交流电机的设计和优化的影响在[12]中进行了研究。与此同时，高性能电气牵引已经成为最重要并最流行的研究主题之一。采用外转子永磁无刷电机的轮直驱是最受喜欢的配置之一。但是，外转子永磁电机在两个方面与内转子永磁电机有明显的图1在外转子永磁电机中带分流比的

5、最大可实现不同。第一，在内转子永磁电机中，最大可实现空隙空隙磁通密度预测FE变化磁通密度不受分流比的影响。然而外转子永磁电机表1主要参数最大可实现空隙磁通密度受限于分流比，如图1所参数值参数值示。第二，对于内转子永磁电机，其定子槽面积和力外径D0240mm最大磁通密度Bm1．8T矩密度为分流比和磁通密度比的函数。可是，稍后铜损Pcu23．1W空隙长度80．8ram会显示，对于外转子永磁电机，其定子槽面积和力矩槽包装因素KpO_37磁铁剩磁Br1．2T密度为分流比、磁通密度比与定子分流比(槽底部直有效轴长度Lef44．1mm

6、回复磁导率Mr1．05一22一外转子永磁电机的分析优化然而，甚至在外转子永磁电机中，对于固定空隙A：D／D。(4)磁通密度到其最大可实现值也是不恰当的，因为当=跏(5)空隙磁通密度低于最大可实现值时它与分流比是无式中A分流比，为磁通密度比，D。为外径，关系的。在此之后将会显示，在分流比的大多数范为定子内的最大磁通密度。围内，最优化的空隙磁通密度低于最大值。而且，在平均EM力矩方程，即方程(3)具有普遍性对于本文中研究被延伸扩展到当内径的限制不影响最优所有永磁电机包括内转子电机和外转子电机。但设计情况。在这种情况下，定子槽面

7、积和力矩为分是外转子的特殊结构使得它与内转子永磁电机流比、磁通密度比和定子分流比的函数，这样就复杂在以下几个方面有着不同。多了。但是，通过使用提出的优化过程(之后会有详对于外转子永磁电机，其分流比定义为：细说明)，仍然可以分析获得最优定子分流比、分流A=D。／D。(6)比和磁通密度比，这样将可以提供具有价值的探索式中D。。为定子外径。定子槽面积的表达也不并有助于外转子永磁电机的设计。之后将显示，最同。对于外转子永磁电机具有平行定子齿且忽略齿优化分流比和定子分流比的推导比接近1的最佳分尖和槽楔，如图2c所流比对于外转子永磁电

8、机设计更有用。示，定子齿宽b和槽面积A可由下式中得出：根据表l中给出的一般条件进行研究。普通的b=2p／，ⅣB)="rrD。AB~f(NB)：'rrD。A／Ⅳ。力矩模型在第2部分中进行了开发。最初，最优定(7)子分流比、分流比和磁通密度比在第3部分根据理A=竹D02^62(1一As)(1+A一2y)／4