摘要：在本文中，进行了不同以往设计的嵌入式V型磁铁的永磁同步电动机（PMSM）与嵌入式U型磁铁的电机在每一对电极的比较。表明了U型磁铁的电动机与V型磁铁型能产生同样的电效能。
介绍
嵌入式磁铁型永磁同步电动机（PMSM）被认为是在一个范围广泛的变速驱动器。嵌入式磁铁相比于表面磁铁型的设计具有很多优点。通量浓度可以取得引起更高的气隙磁通密度的效果。更高的气隙磁通密度使机器转矩的提高成为可能。嵌入式磁钢结构也让形成空气间隙和达到更平稳的转矩成为可能。转子生产也更简单了。一些不同的嵌入式磁钢转子如图1所示。
嵌入式磁钢将磁铁设计为细长状但数量不变，这使减小磁阻成为可能。使用V型或径向磁铁的嵌入式磁钢对减少磁阻有所限制，U型磁铁的设计在每一极都有V型和径向磁铁的良好性能。然而，U型磁铁的设计在每一对电极都可能进一步的减少磁阻。
在本文，V型磁铁和U型磁铁两种嵌入式磁钢在每一对电极都做了比较。通过时间步和静态计算的有限元方法进行了分析，这些机器磁性的宽度和长度也进行了考虑。
电机设计
嵌入式磁钢内部转子的设计使转子的装配比其它类型的设计都要简单。转自盘保证磁铁在合适的位置并且不需要额外的加固绷带。磁铁嵌入在复合转子铁的冲压槽。V型嵌入式磁钢设计如图2所示，U型嵌入式磁钢设计如图3所示。
a) b) c)
图1：嵌入式磁钢电动机的转子结构切向磁铁、径向磁铁、V型磁铁
图2：12极V型磁铁永磁电动机设计
图3：12极每一对电极U型磁铁永磁电动机设计
这两种电动机的唯一不同在于他们的内转子结构。磁铁的面积是一样的，而且在如图3的磁铁结构中，每一极都更细更长。同时，磁铁的每一极具有同样的宽度和长度的结构也是考虑过的。此外，磁铁间的各种大小的铁支架和空气间隙也是一样的。
U型设计的磁铁块数量减少到V型设计的3/4。这为将磁铁嵌入转子节省了时间。
计算结果
V型和U型电动机设计的电气性能是有计划的。电机数据研究如表1所示。利用时间步的有限元法完成了计算，也研究了不同负载的性能。计算了电压源并且采用角接法。由于转子的不同结构，每种结构的两极都进行了建模。电路计算如图4所示。在电路中有三个电压源，六个绕组连接，三个端部绕组电阻和三个端部绕组电感。在所有的时间步计算中，定子的电压相角和振幅是一样的。计算是以不同的转子角开始并以顺便现象结束，利用的是恒定的转子速度。
三个实例的磁通线设计为额定负载如图5-7所示。也能看见紧缩的磁通量。U型设计中的每一对电极都是不同的，这代表两极之间的结构是不对称的。在图5、图6，每一个转子电极的磁铁长度、宽度和面积都是一样的。
图8将额定负载下U型A和V型设计的定子齿的磁通量密度计算以时间函数的形式展示。可以看到不同设计的效果。这比较而言是小的。可以看出，对于我们的U型、A设计，磁通量的绝对值是在两极之间呈周期对称的。在U型、B设计中磁通量也是对称的。可以看到无偏差的对称。
表1：电动机数据
轴高度 280 mm
功率 27.5 KW
电压 370 V
电流 45 A
极数 12
转速 300 rpm
图4：电路计算
图5:额定负载的紧缩磁通量，原始设计（V型）
图6:额定负载的紧缩磁通量，新设计A（U型、A）
图7:额定负载的紧缩磁通量，新设计B（U型、B）
图9表示V型和U型A设计的磁通量密度只由不同转子角的定子齿中的磁铁产生。每一个转子电极的磁铁长度和宽度都一样。V型和U型A的磁通量密度最大值和平均值分别是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为磁铁之间间隙的小影响。
我们三个实例设计的额定负载和最大负载通过时间步法计算出来了。在表2，计算结果和V型设计的试验结果进行了比较。可以看出V型设计的计算结果给出了正确的电流。定子绕组的铜损失用效率η的计算考虑。其它的损失很小。
图8：额定负载下U型A和V型设计的定子齿的一个周期内的磁通量密度
图9：V型和U型A设计的磁通量密度只由不同转子角的定子齿中的磁铁产生
从表中首先看出U型A的每电极所有磁铁的长度和厚度的计算结果是与V型设计一样的。其次看出U型B的每电极的磁铁更长并且更薄。磁铁的厚度、宽度和面积是以毫米为单位在表中显示的。V型设计的实际尺寸也就是U型尺寸是与V型设计尺寸相符合的。
U型A的输出转矩最大值比V型设计更小并且具有一个较小的负载角差，这是由于磁铁间更小的磁阻转矩和金属桥的影响。转矩和磁阻转矩如图10所示。
表2：额定负载的结果比较
测量 计算 计算 计算
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
图10：V型和U型设计的电动机转矩和磁阻转矩与负载角的函数关系
图11：功率因数与转矩的函数关系
V型设计的磁阻转矩比U型设计的大，是因为转子的磁结构。通过比较U型A和U型B设计的转矩大小也可以看出减小磁铁厚度的影响。磁阻和最大转矩比厚磁铁小。
V型和U型设计的功率因数与转矩的函数关系如图11所示。U型A设计的电动机功率因数比标准值高并且随着转矩升高而变小。电动机的标准转矩是875 Nm并且通常电动机是在部分载荷和不同转速下工作的。因此，U型磁铁的电动机通常在转矩范围内会有更好的功率因数。由于更小的磁阻，转矩最大值也会减少。由于V型B设计的磁铁更长更薄，那可以预期出在额定负载的情况下会获得更小的转矩最大值和更高的功率因数。
V型和U型A设计的转矩有显著性的差异。这一点如图12所示。对于U型A设计，转矩的振动是随着磁铁的频率在定子相。V型设计的振动频率是U型频率的一半，是因为V型设计是两块磁铁转变到一个定子相，U型A设计是一块磁铁转变到一个定子相。此外，振幅比V型设计小。
图12：V型和U型A的转矩振动
结论
以上表明，U型磁铁式永磁电动机的磁铁在每一对电极的工作效果与传统的V型磁铁式永磁电动机的每个电极一样好。此设计中极对数的不对称结构引起了磁场空气间隙的不对称。这个设计使利用同数量的磁铁获得更高的通量密度成为可能。磁铁块的数量也减少了。
U型A设计的转矩振幅相比V型设计太高了。这应避免在磁铁和空气间隙附近用不同的定子槽或者金属结构。
总之，这个新的解决方案提供了生产具有更好的功率因数和效率的嵌入式永磁电动机的可能。
