内燃机与配件
0引言
相较于传统电力磁电机而言，
内置式永磁电机引入了
永磁体，整体电机磁场分布、性质都出现了一定的变化。且
磁场非线性、饱和度也有了一定程度的提升。在内置式永
磁同步电机发展过程中，其内部转子结构也在不断变化，
这种情况下，以往永磁同步电机分析方式就无法取得良好
的效果。因此采用多物理耦合仿真的方法对永磁同步电机
结构及不同转速下电磁参数进行适当分析非常必要。
1内置式永磁同步电机结构及工作原理
如图1所示，内置式永磁同步电机需要在转子位置进
行永磁体安装，除此之外，其他模块构成均与鼠笼异步电
动机构成方式相同。内置式永磁同步电机主要包括电枢绕
组、转子铁心、转轴、气隙、
机座及机壳等几个模块，其在定
子结构主要依据感应电动机模式，采用0.50mm硅钢片进
行叠合；而在转子铁心位置可利用整块钢进行实心处理；
在定子绕组模块大多为星形连接方式[1]。
2内置式永磁同步电机耦合仿真模型构建
依据上述内置式永磁同步电机结构参数，可利用
ANSOFT软件中Maxwell2D软件，进行同步启动永磁电动
机局部结构仿真，其中电子绕组分布为双层、
电机内部永
磁体为V型放置，内置充磁方向为径向。
3内置式永磁同步电机电磁耦合
为了确定不同隔磁桥宽度、位移变化对内置式永磁同
步电机结构、电磁的影响。本文从结构、
电磁两个方面进行
的分析，具体如下：
3.1结构有限元分析
在内置式永磁同步电机结构有限元分析过程中，主要
包括转子全参数化模型构建、不同转速下转子外圆周位移
分布仿真、转子应力及位移仿真三个模块。首先，转子全参
数化模型构建主要是在ANSOFT软件中，通过输入参数限
度，进行模型自动更新、计算及结果分析。在磁钢、
铁芯载
荷传递使用阶段，
主要采用面对面接触的模式，进行内置
式永磁同步电机参数输入。如表1所示。
其次，由于内置式永磁电机空载过程中，
其主要应力
源为离心力，因此在有限元仿真模型中，主要离心力F=
mrw2=（p*A*l*r*w2）N。其中r为质心离旋转轴线距离，w
为旋转角速度，m为质量系数，N为求解区域总单元数，
p为永磁电机材料密度，A、l分别为某个单元面积、
铁心
长度。
若隔磁桥厚度为10mm，电机转速为800-1100rpm，在
磁钢周边胶连作用近似为0的前提下，对转子外圆周节点
合位移随不同转速变化进行分析。通过对相关曲线的分
析，可明显得出随着转速的增加，
转子外圆周节点合位移
也在不断扩大[2]。
最后，为了确定不同工况下转子应力变化，
可假定隔
磁桥厚度为10mm，电机额定转速为1100rpm，若在磁钢周
边均进行磁钢地面胶的涂布，且转子铁心与磁钢连接紧
密，则所得到的电机最大转速为28.56MPa。隔磁桥磁钢与
铁心连接位置为最大转子位移位置，为0.284；若前提条件
不变，磁钢周边底面胶均失去胶粘效应，则得到的最大转
内置式永磁同步电机结构与电磁耦合分析
杨立超
淤曰王赫于曰于海蒂盂
（淤南阳雷德电驱有限公司，南阳473000；于卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司，南阳473000；盂营口理工学院，营口115014）
摘要院内置式永磁同步电机具有效率高、能量密度高、结构简单、运行稳定等多种优良特点，其在混合动力汽车、航空航天、
空调驱
动等模块发挥了良好的作用。由于内置式永磁同步电机磁路饱和系数较高，且存在一定的交叉耦合情况，对电机参数计算造成了一定
的难题。因此本文通过多物理耦合仿真模型构建，
对内置式永磁同步电机结构进行了简单的分析，并就内置式永磁同步电机中不同转
速下参数变化进行了探究。
关键词院内置式永磁同步电机；
结构；电磁耦合
图2内置式永磁同步电机局部仿真
额定功率/kW额定电压/V额定电流/A额定转速/rpm气隙/mm定子内径/mm定子外径/mm转子内径转子外径磁钢厚度/mm顶点
定位/
mm
380112025011002410580180410108
表1内置式永磁同步电机主要参数渊局部冤
图1内置径向式永磁同步电机
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InternalCombustionEngine&Parts
子应力仍然位于隔磁桥位置，为210MPa；最大转子位移在铁心圆周边缘位置为0.179。由以上可知，在不同的工况下，内置式永磁同步电机转子位置并不会出现损坏，其内部铁心也始终位于安全限度内。3.2电磁有限元分析在内置式永磁同步电机运行过程中，若其位于空载情况，则其产生的空载气息基波磁通主要来自与电枢绕组感应，而磁体反电势计算公式为En=4.44*f*N*K*准。其中准为空载气息基波磁通，准为空载时永磁体产生总磁通与空载时永磁体产生漏磁通的差。K为电机绕组系数，f为空载电流频率，N为电枢绕组每相串联匝数。一方面依据上述公式，在内置式永磁同步电机结构空载分析过程中，并不需要考虑永磁体励磁情况，因此在无电流励磁的情况下，假定额定转速为1100rpm，则可获得内置式永磁同步电机三相空载反电势运行趋势，而通过代入隔磁桥不同厚度系数，可以电磁场为入手点，得出具体的三相空载反电势数值。在具体空载试验进行过程中，为了进一步降低齿谐波对内置式永磁同步电机转子电磁耦合效果的影响，可对定子进行斜槽处理，综合考虑漏磁情况、主磁通情况及具体位置机械强度，提高最终电磁分析精度。另一方面由于永磁体产生气隙基波磁通受永磁体气隙磁密的影响，因此需要对空载气息磁密谐波进行进一步分析。由图3可知，通过将永磁同步电机电磁激励消除，可得到电磁空载气息磁密波形。在这个基础上，在Ansoft软件中FFT分析模块，可进行傅里叶变换分析，得出该内置式永磁同步电机气隙分布情况。通过对图3气隙磁密基波分量含量的评估，可得出后续谐波含量在整体谐波中占比较小，但是也不可忽略。依据上述情况，可采用转子优化设计进行适当减弱。3.3实验结果分析及验证在内置式永磁同步电机转子铁心机械强度一定的情况下，可逐步调整隔离桥尺寸，得出永磁材料实际隔离效
果及利用效率。本次验证试验主要设定隔离桥宽度为
10mm，其他数值均采用额定数值，进行内置式永磁电机反
电势运动仿真，可设计一台内置式永磁同步电机，
其容量
为38kW，额定电压及额定频率分布为360V、50Hz，额定转
速为1300，定子相数为3，在效率为0.92，功率因素为
0.96。该永磁电机具有自动启动能力。
在该样机空载仿真试验过程中，由于内置式永磁同步
电机绕组导线面积远小于整体面积，因此在具体验证试验
分析过程中可忽略集肤问题，即仅考虑电机启动阶段最大
反电势这一因素。在该内置式永磁同步电机电磁仿真验证
试验中，主要设定最大反电势为1.4289kV，标准反电势为
1.018kV；而实际测量控制反电势为1.4246kV，标准反电势
为1.016kV，
相较于实际测量空载反电势而言，整体误差
在1.5%以内。表明该内置式永磁同步电机仿真试验具有
一定可行性，其在最高转子时运行安全性较高[3]。
4总结
综上所述，内置式永磁同步电机主要为转子内部永磁
体安装模式。基于内置式永磁同步电机这一独特特点，在
其电磁结构分析过程中，
可从其电磁、结构两个方面，通过
隔磁桥的合理设置，对其转子结构强度、整体电机空载气
息磁密进行逐一分析。同时在得出电磁谐波分布之后，为
了验证整体结果的正确性，可进行真实永磁同步电机构
建。依据整体电磁仿真分析结果，
在实际永磁同步电机结
构设计过程中，可在降低隔磁桥宽度的基础上，适当提高
转子强度，从而保证永磁同步电机运行效率。
参考文献院
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图3空载气息磁密谐波分析
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