内置式永磁电机隔磁桥优化设计思路

    内置式永磁电机拥有高转矩密度和宽转速范围的优点，应用非常广泛。转矩波动是衡量内置式电机性能的重要指标，与气隙磁密分布关系密切。然而，不同于表贴式电机，内置式永磁电机的气隙磁场不仅受永磁体的影响，还受转子铁心影响，特别是转子铁心中的隔磁桥。因此，隔磁桥的优化设计一直都是内置式电机设计的难点。本文参照文献 [1]，介绍一种内置式永磁电机隔磁桥的优化方法，为大家提供一个设计思路。

1. 隔磁桥的参数

     隔磁桥主要受三个参数约束，分别是：初始位置，宽度和厚度。隔磁桥的初始位置会影响主磁场在机械圆周上所占的机械角度，本文中用θB表示，如图1a所示。宽度和厚度则是隔磁桥的实际尺寸，会影响漏磁通以及转子铁心的机械强度，分别用Bw和dh来表示，如图1b所示。因此，以上三个参数必须仔细设计，以保证优良的电磁性能和安全的机械强度。

2. 设计思路

     对这三个参数进行优化即可降低电机的转矩脉动，提高转矩性能。文献[1]针对4极48槽电机，通过穷举法来实现这一目标。电机的参数如表1所示。

表1

设计思路如下：1）根据永磁体的尺寸和转子外径的几何约束，给出隔磁桥三个约束的备选尺寸，如图2所示。2）将三个约束参数的三个尺寸排列组合，共有3³个方案，并对每个方案编号。值得注意的是，方案总数与每个参数的备选尺寸数有关，备选尺寸越多，总方案数越大。3）对上述27个方案依次仿真，选出最佳方案。

3. 设计结果

  27个方案的仿真结果如表2所示。从表2中可以看出，方案9的转矩波动最大，而方案7的转矩波动最小，最终选择方案7为最终隔磁桥的尺寸。此外，仔细观察还能发现，转矩波动小于20%的方案有三个，分别是方案7，方案16和方案25。而他们的共同点是均采用θB1和Bw3，但他们的电磁转矩却随着厚度的增加而减小。

表2

4. 隔磁桥开辅助槽

隔磁桥开辅助槽能进一步降低电机的转矩波动。对方案7的隔磁桥添加辅助槽，辅助槽分别采用矩形槽和椭圆槽，如图3所示。两种槽的宽度和深度一致，只有槽型不同，如图4所示。  

辅助槽的尺寸同样需要优化，仍采用穷举法来实现，每个尺寸三个备选尺寸，共有3²个方案。此外，为比较不同方案的优化效果，引入参数k_te来衡量各方案优化结果。

各方案优化结果如表3所示。

表3

从表3中可以看出，矩形槽中，方案6的k_te值最大。椭圆槽中，方案8的k_te值最大。将优化前后的方案进行对比，输出转矩波形如图5所示。

仿真结果表明，隔磁桥开辅助槽不仅能降低电机的转矩波动，还能提高电机的输出转矩。 

总结：本文根据文献[1]，介绍了内置式永磁电机隔磁桥的优化设计方法，为电机设计人员提供参考。

参考文献 [1] C. -H. Song, D. -H. Kim and K. -C. Kim. Design of a Novel IPMSM Bridge for Torque Ripple Reduction. IEEE Transactions on Magnetics, vol. 57, no. 2, pp. 1-4, Feb. 2021.

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