徽电机MCCROMOTORS Voy.54.No.1 Jan.2021 第54卷第1期
2021年1月
聚磁型永磁游标容错电机研究
陈豪，李建贵，郝诚，柯少兴
（武汉理工大学机电工程学院，武汉430070）
摘要：提出一种带有磁通桥结构的聚磁型永磁游标容错电机，引入容错齿结构。首先，提出了SAPMVFM结构，采用磁通桥结构改善多极对聚磁型永磁游标电机磁路，提高电机的输出转矩，并通过定子Hlbah阵列改善了由于磁通桥造成的输出转矩波动。其次，对游标电机的电磁原理及磁通桥结构的工作原理进行了分析。再次，对电机的结构进行了优化以得到较优的反电动势及输出转矩％最后，通过有限元对比了3种拓扑结构电机的性能，验证了磁通桥结构与Hoa5h阵列对聚磁型永磁游标容错电机的性能改善％ 关键词：聚磁型；永磁游标容错电机；磁通桥；Hlblh阵列；有限元分析
中图分类号：TM351文献标志码：A文章编号：1001-6848（2021）01-0005-05
Research of A Spoke Array Permanent Magnet Verrier Fault-tolerant Machine
CHEN Hao，LI Jiagui,HAO Cheng，KE Shaoxing
(School o/Mechanical and Electronic Engineering，Wuhan University o/Technology，Wuhan430070，China)
Abstract:A Spoke array permanent maanet vvmier fault-tolerant machine with alternate tux bridges was paoposed.Fauyt-toyeaanttooth wasused togmpaovethetauyt-toyeaanaepeatoamanae.Fgastys，thestauatuaeot SAPMVFM waspaoposed.Theayteanatetyuibagdgeshavebeen gntaoduaed togmpaovethemagnetgaagaaugtot thehggh poyeaatgoSAPMVM and gnaaeasetheoutputtoaque.Haybaah a a son thestatoawasused togmpaove theoutputtoaquetyuatuatgon aaused bsthetyuibagdges.Seaondys，theeyeataomagnetgapagnagpyeotveangea motoa and operating principle of flux bridge were analyzed.Thtdly，the structua of the motor was optimized tobe t eabaak EMFand outputtoaque.AtyaMt，thepeatoamanaeotthaeedg t eaentmotoa waMaompaaed bs the anite element simulation，and W c inipmement of the flux bridges and HaHach array on the spoke array p
ermanent maanet vvmier fault-tolerant motor was verified.
Key wordt:spokea R asmagnet#PM veRngeRtauyt-toyeRantmaahgne#tyuxb gdge#Haybaah a as#tgngteeye-ment analysis
o引言
稀土永磁电机具有结构简单、运行可靠、结构紧凑、密度高等优点，十年里得到迅速发展［1-2］%而游标效应的提出，为永磁电机提供了一个应对低速大转矩的场合的极佳方案⑷％基于“磁齿轮效应”的永磁游标电机，有利于解决大低速电机槽极数的问题，密［5］%娄转矩能力强，鲁棒性高，适用风力发电、电动汽车和舰船驱动等上⑷％
聚磁型游标电机（SpokeA a sPeamanentMagnet Vernier Machine，SAPMVM）由于其固有的磁通聚集效应受到越来越多的关注％在文献［7-8］，对SAPMV的矩密进行，为极对
数较低的拓扑结构％在文献［9］出，极对数较多的SAPMVM的磁通调制效应会由于转子的磁动势动而减弱，导矩密著，文对
象进行分析并命名为磁通阻碍效应（Flux Barrier Effect）%文献［10（针对FBE，提出了一种带有磁通桥的SAPMVM新型拓扑结构，改善SAPMVM在极对数情况下的磁路，显著输出转矩％
动系统的同样为关键的问题，文献
收稿日期：2020—04—07，修回日期：2020—06—08
作者简介：陈豪（1996），男，
李建贵（1983），女,
郝诚（1996），男，硕士研究生，研究方向为永磁电机本体设计及优化%博士，教授，研究方向为电机设计及驱动％
硕士研究生，研究方向为永磁电机本体设计及优化%
柯少兴（1996），男，硕士研究生，研究方向为永磁电机驱动控制％
-6-微电机54卷
[11]对表贴内嵌式永磁容错游标电机的性能进行对比分析，对容错电机的设计提供了参考。
本文提出了一种带磁通桥聚磁型永磁游标容错电机拓扑，分析了电机的工作原理，利用有限元法对三种结构的电机性能进行分析，验证Halbach 结构与磁通桥结构对电机的反电动输出转矩的能影响，并
对电机的几何结构尺寸进行了优化。1SAPMVFM拓扑结构
本文出的带磁通桥的聚磁型永磁游标容错电机(Spoke Array Permanent Magnet Vernier Fault-tole/ ant Machine，SAPMVFM)结构如图1所示，主要结构参数见表1%电机采用组，调制齿和容错齿间排列，用作物理隔离的容错齿同时也是磁通回路的一部分，起到调制极作用％的调制极之间设置Halbach永磁体实合励磁％调制齿采用Spilt-Pole结构。调制极数量在设计上与极对数满足式(1)的，以实游标效应％
P+=Z s土P”(1)式中，P”为转子永磁体极对数，Z"为定子调制齿数量，P a为绕组极对数％
分相较于传统的SAPVM，每个转子极间添磁通桥，采用内辄以连接磁通桥％这种磁通桥能显著改善多极对轮辐阵列永磁电机的磁路，反电动及输出转矩。
图1二维结构示意图
表1设计参数
参数参数参数参数
额定转速/(/m in)187.5永磁体材料NdFe35定子外径/m m200组匝数100
定子内径/mm120调制极极数18
气隙长度/mm0.5转子永磁体极对数16
轴向长度/mm300组极对数2
额定转矩/Nm180额定电压5/V350
额定电流“A8.2输出/W9.8
电机转子结构使用非导磁材料紧固件对磁通桥之间的铁心永磁体进行，配合两边的磁通桥，将永磁体和铁心内，机械结构如图2所示。
电机结构采用分裂齿与直齿交替的结构％齿作为容错齿，起到物理隔离的作用％分裂齿和直齿都作为磁通回路起到调制极的作用％采用
绕组增强电机的容错效果，同时起到端组的作用％
图2转子机械结构
2理论分析
2.1游标电机原理
基于磁通调制原理，游标电机可以看作一个特传动比的齿轮电机的组合，上的调制齿
替磁齿轮的调磁环[12]%定子电枢磁场极对数，转子磁场极对数，定子调制齿数及旋满足一的为
Pm，D=9P+'D7
其中，m=】，3，5，….8；D=0,±1，±2，土3，…，±8(2)式中，P为电枢绕组磁极对数，)为定子调制齿数％经调制后转子转速％为
%=十厂％(3)
mp+kn s
当调制后的气隙磁到最强时，对应的
磁极数为
p”=)-p(4)电枢磁场转速％与转子转速％的旋转转速比为
2.2磁通桥理论
永磁电机空载反电势1。和转矩3主要由2个气隙磁场中提供，即转子磁场F i”和调制极磁场F ml”％磁F ml”是由磁通调制效应产生，空载反电
1和转矩3如
1=槡D G s+H Mk(F vn”+p F ml”)％(6)
3=3槡D D N s h g—o(F vn”+p F ml”)(7
)
1期陈豪等：聚磁型永磁游标容错电机研究-7-
式中,D为绕组系数，G为绕组匝数，Tg为气隙半径，H w为定子轴向长度，％为转子角速度，I为相电流％
文献［10］根据等效磁路法，推导出磁场F an e及磁场F m…d u为
F an e=(P0J P F1_^P1i P F2)(8)
!2
g1
陥”=(T PPF1-PPF2)(9$，g为气隙长度，！为真空磁导率，F1、F2为磁动％励磁磁场F an e和调制磁场B mo d u都会由磁动势振荡F2有弱，文献［9］
表明对于普通的SAPMV，在极对数时，F2的大导致调制磁场B o低。文献［10］采用磁通桥F2，而到调制磁场B o，而使永磁游标电机获得较好的转矩密度％
2.3容错设计原则
为了减少故障相对的干扰，容错电机的设计要基基本原则：之间要进行物理隔离，热隔离，磁隔离及电气隔离％
(1)物理隔离：电机的组采用集中式绕组，隔齿绕制，组通过容错齿物理隔离，防止间短路故障的发生。
(2)热隔离：容错电机的各项绕组在实现物理隔离的基础上，故障生的热量只有分传递到其他相的绕组，从而实之间的热隔离％
(3)磁隔离：当一相的绕组时，绕组之间磁耦合，故障影的正常工作％永磁容错电机采用单层组，实组之间的磁隔离％
(4)电气隔离：容错电机采用独立绕组结构，通过H桥拓扑结构为每组独立供电，防止故障相通过全桥拓扑结构影正常相，实现电气隔离％
3拓扑优化
电机的输出转矩矩波动是电机输出性能的重要特征％本节为优化目标，个结构参数对电机性能的影响。取调制齿与容错齿之间为一个单元进行分析，的t0如式(10)，调制齿s，调制齿齿I度«2，«3，容错齿«4:
8。式中，G为电机槽数
参数之间的：
图3结构参数
3.1i1
调制齿槽口开口尺寸对电机性能的影响如图4所示。出7对输出转矩的影，在参数范围内，输出转矩在175Nm到185Nm之间小范围动。对矩波动有着较大的影响并且具有.的规，在参数范围内出先减后增的％综合考虑输出转矩矩波动，一个最优7的
调制齿齿数2对电机输出矩矩动的影响如图5所示。在参数范围内，对电机的输出转矩矩波动有较大的影具有明显的规，输出转矩一种先增后减的，同时转矩波动为先减后增的。综合考虑后能够合适的参数值i2为0.33%
s2
图5i2
对输出转矩和转矩波动的影响
• &・
微电机
54卷
3. 3 s 4 I
容错齿齿宽系数s 4对电机输出转矩和转矩波动的
影 6 。在参数范围内，对电机的输出转矩
影响较小，在180 Nm 到185 Nm 间呈小幅上升的趋 %对电机的输出转矩波动
大的影响并具有明显
的规律性。综合输出转矩
矩波动，并考虑电机定
的实际需求，取合适的参数值s 4为0.165%
0987654321098765
98888888888777771111 1± 11 1111 1111111111111±086420864203222221111186420
14
O.图
6 s 4对输出转矩和转矩波动的影响
4性能对比及分析
为了研究利用Halbach 阵列混合励磁以及磁通 桥对聚磁式永磁容错游标电机的 用，本文对
3
不同的
结构组合进行了对比分析%结构 7
%
（a ）结构A
（b ）结构B
（c ）结构C
图7 3种电机结构组合
3
电机结构采用相同 铁'、绕组参数、
永磁体用量和极对数％分对普通聚磁型永磁游标
容错电机（结构C ），带磁通桥聚磁型
永磁游标
容错电机（结构B ）及 出的改进电机（结构A ）进行
能比对％
出的电机（结构A ）永磁体配置方式
8%
4.1
电机的空载反电动势曲线在一定程度上可以反
映电机的运行性能及输出 ％当电机在空载情况
下运行，
动 187. 5 r/min %
三种对比结构的 空载反电
9所
示％通过对比， 出采用磁通桥的结构A 与结
构B ，反电动势幅值分别为350 V 和375 V ，传统的
聚磁型结构C 反电动 为175 V %采用磁通桥
结构优化电机磁路，使电机的反电动
1
，
验证了磁通桥结构对多极对聚磁型永磁游
标容错电机性能
理论的正确％
结构A 相较于结构B ，采用定子Halbach 阵列
使反电
降了 6. 7%， 正弦度优于结构B % 3 结构的反电动势畸变
表2
% R
出磁通桥结构能大 极对 SAPMVM 的反
电动 ，同时 反电动势畸变率，影响电机的平稳运行％通过
Halbach
的调节,
使反电动势畸变 降42%%
结构反电动势畸变率
结构 A 6.6%结构B 11.3%结构C
7.1%
1期陈豪等：聚磁型永磁游标容错电机研究-9-4.2转矩及转矩波动
在低极对数的情况下，聚磁结构的磁通聚集效
应占主导地位，磁通阻碍效应并不％当极对数
，低极对的调制磁须通过更多的磁体才能
合回路，导磁通阻碍效应严重削弱调制磁
，影电机的输出转矩。输额定电流&2A后，
3对比结构的输出转矩的10，结构A较
结构C，转矩输出提高66.4%，结构B较结构C,
矩输出84.1%%结果同时证明采用磁通
桥结构，能有效减少磁通阻碍效应对多极对SAPM-
VM的影响，同的极对数情况下，极大地提升
电机的输出转矩％电枢绕组不通电时，得到电
机的齿矩％结构B的齿槽转矩为结构C
的3-45倍％结构A相较于结构B，齿槽转矩峰值减
小了35.3%，电机的控制稳运行得到较大
的改善。其3种对比结构的齿矩表3
所示％
在输出转矩波动方面，磁通桥结构电
机输出转矩的同时，转矩的波动应，
和反电动势的结果相符％通过Haieach阵
列，有效地降低了电机的输出转矩波动，结构A较
结构B，输出转矩波动降44.3%%输出转矩
和转矩波动如表4所示%
340F 320-300■280•260•240、------结构A *•••结构B ----结构C
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
°0102030405060708090100
时间/ms
图10输出转矩对比
表3齿槽转矩峰值
结构齿矩/Nm
结构A15.32
结构B23.67
结构C 6.86
表4转矩与转矩波动
结构输出矩/Nm输出矩动
结构A1789.81%
结构B19717.6%
结构C1078.4%
结论
本文设计介绍了一种聚磁型永磁容错游标电机，设计中引磁通桥结构，改善了传统的多极对聚磁型永磁游标电机的磁通碍效应，游标电机的输出矩%对磁通桥结构大的
对输出转矩波动的影响，弓I Halbach结构对反电动进行调节％详细阐述了所提聚磁型永磁容错游标电机的电磁拓扑结构和机械结构，并
原理上进行分析％针对输出转矩矩脉动进行了参数优化％通过有限元分析进行证电机的运行性能，验证了磁通桥及Halbach结构对其性能的。在8.2A的工作电，较传聚磁型永磁容错游标电机反电动一倍，输出转矩
66.4%，同比带磁通桥的聚磁型永磁容错游标电机，在输出性能不变的情况矩波动下降了55.4%%最后，所设计的聚磁型永磁容错游标电机在反电动势、输出转矩与转矩波动上有较好的的能表现，适用低速大转矩的应用场合，设计具有合理有效性％
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