李权锋 陈 彬,2 肖 勇

（1. 珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070；2. 空调设备及系统运行节能国家重点实验室 珠海 519070）

引言

近年来，稀土钕铁硼永磁同步电机（PMSM）在空调压缩机电机应用地越来越广泛，一方面增加了稀土资源的使用量，另一方面增加了电机的成本。交替极永磁同步电机（CP-PMSM）仅具有常规永磁同步电机一半数量的永磁体，可以显著降低永磁体使用量,如图1所示。交替极电机所有永磁体的充磁方向一致，比如N极性充磁，两块N极性充磁永磁体之间的软磁材料会被相邻的永磁极磁化成S极，称为交替极。

文献[1]中研究了交替极电机的反电势特性，指出交替极转子磁场中存在常规电机不存在的偶数次谐波，采用槽数为6P的槽极配合可以有效消除偶数次谐波，而常用的槽数3P槽极配合则无法消除。文献[2]对比了用于大巴驱动的传统永磁同步电机与交替极永磁同步电机，指出交替极电机额定工作状态下具有较大的输出转矩，并且可以节省18.5 %的永磁体使用量，具有较小的转矩波动与齿槽转矩，并且具有较大的调速范围，但是其过载能力较差。文献[3]通过设置转子分段斜极优化一款应用于压缩机中的9槽6极集中卷交替极电机的转矩波动，起到了一定的效果，但是转子分段会会引起转矩的进一步下降。文献[4]中通过优化转子的磁极形状，提升交替极悬浮电机的转矩能力，降低转矩波动。文献[5]通过槽极配合以及极弧系数优化交替极电机的转矩波动。

从研究现状看，交替极电机的转矩能力、转矩波动是研究的热点，分段斜极、磁极形状优化等措施被采用，从常规电机的设计角度看，转矩能力与转矩波动存在一定的负相关关系，但是这些优化手段往往只能针对某一个目标进行优化，例如分段斜极、磁极形状优化会降低电机的输出转矩。另一方面，关于一些关键参数比如永磁体、磁束整理槽等对交替极电机性能的影响的详细分析未见报道，而这些特征对于优化设计前期基本结构参数的选择非常重要。

为了考察交替极电机基本电磁特性及开发出适用于压缩机运行状况的高性能、少磁钢电机，本文利用有限元分析法，首先分析了交替极电机的运行原理，指出了其与常规电机的结构差异，并且分析了由结构差异导致的优缺点。而后通过有限元分析，探讨了交替极电机模型中四个关键结构对其性能的影响，结果表明，不同的结构对电机性能的影响存在着明显的优先级，在电机优化过程中应有所侧重。

1 交替极电机运行原理及优缺点分析

如图2所示为交替极电机基本特性分析的有限元分析模型，为了提高优化效率，仅分析了1/3模型。从其磁力线分布可以看到，由永磁体发出的磁力线在永磁体的一侧直接进入气隙，与定子绕组匝链。另一方面通过相邻的铁芯极即交替极传到气隙与绕组匝链，这与常规电机磁力线的分布一致。

其主要优点有两点：

1）主磁路的磁阻上减少了永磁体槽、永磁体引入的磁阻，有效的磁动势更高，永磁体的利用率更高，所以可以用较少的永磁体产生与常规永磁电机相同的气隙磁密。

2）可以减小电机的尺寸。交替极电机采用的永磁体比传统的无刷电机更厚。在这种情况下，就可以在这种电机上使用高剩磁、高牌号的磁钢，因为组成漏磁回路的磁钢的厚度很厚，所以没有退磁的风险，这让永磁体的工作点更高。但是对于传统的永磁电机不能用高牌号、高剩磁的磁钢，因为组成漏磁回路的永磁体比较薄，这就造成了工作点很低并且伴随有退磁的风险。所以使用高牌号的磁钢，可以缩小这种电机的尺寸，这比传统的电机更有优势。

正是因为这种结构特点，其缺陷也很明显，即相邻磁极下的气隙磁密严重不对称，导致转矩波动较大，随之而来的是振动、噪声等问题。图3显示的是交替极电机的齿槽转矩，图4显示的是常规结构电机的齿槽转矩，虽然此时常规电机的气隙磁密较大，但是交替极电机的齿槽转矩却是常规电机的3.8倍之多，并且齿槽转矩相邻的波峰值明显不对称。对于这种特殊结构的电机，若要改善转矩波动，首先相邻磁极下的气隙磁场要尽量对称，之后可以按照常规思路去降低气隙磁场谐波含量。

图1 常规电机与交替极电机的结构对比

图2 交替极电机有限元分析模型

2 交替极电机关键尺寸参数分析

为了更好地设计交替极电机，这里分析了4个电机结构关键参数对电机性能的影响。

图3 交替极电机齿槽转矩

图4 常规永磁电机齿槽转矩

图5 常规电机极间隔磁槽

图6 常规电机的转矩曲线

2.1 极间隔磁槽

极间隔磁槽主要起到两方面的作用，一方面在永磁体端部附近形成狭长的磁路，减少永磁体端部以及极间的漏磁，提高永磁体利用率。另一方面主要是改变电机极间的结构，因为极间位置是电机q轴磁路很重要的一部分，通过改变这里的结构改变q轴特性，从而改变电机的磁阻转矩等。

常规的永磁电机相邻磁极间的隔磁孔如图5所示，其中相邻磁极分界线两侧的夹角a=b，相邻磁极下的气隙磁密波形对称，这可以从转矩波形看出，如图6所示，为常规电机一个电周期的转矩波形，相邻的两个波峰是一致的。

而对于交替极电机，极间隔磁孔示意图如图7所示。假设此时仍然保持a=b，那么相邻的磁极下的气隙磁密会非常不对称，这一点从转矩波形可以看出，如图8，相邻的波峰差别很大。

为了探讨极间隔磁孔形状、尺寸对交替极电机性能的影响，并且由于交替极电机相邻的磁极结构是不对称的，所以调整a、b两个角度的关系，使之成为不对称的隔磁孔，以改善相邻磁极下的磁密波形，改善转矩脉动。这里将b角度参数化，扫描其对电机各项性能的影响，如图9～11所示。

图7 交替极电机的极间隔磁槽

图8 交替极电机的转矩曲线

图9 参数b对转矩波动的影响

图10 参数b对反电势谐波畸变率（THD）的影响

图11 参数b对电机效率的影响

结果显示，b在30 °的时候转矩波动最小。但是随着b的增大效率呈逐步上升的趋势，分析数据认为，这是由于b的增大，聚磁增强，出力逐渐增大，同时由于气隙磁密波形的改善，铁损有降低，所以导致效率逐步上升。可以看出，转矩波动最小的时候性能并不是最佳。而b究竟选取什么尺寸，需要根据实际应用场合判断电机更侧重效率或者转矩波动，并且应该结合反电势谐波畸变率（THD）的优劣，THD除影响转矩波动外，还影响定转子铁芯部分的损耗。

2.2 永磁体厚度

永磁体价格相对于电机中的其他部分，比如硅钢片、铜线更贵，对电机的性能影响也更直接，因此合理的永磁体尺寸对于提高永磁体利用率、优化电机性能十分重要。长方形永磁体的关键尺寸有两个：宽度与厚度。宽度主要影响电机的转矩，在电机尺寸基本确定的前提下，永磁电机的功率等级基本也就确定了，此时永磁体的宽度区别较小。而永磁体厚度不但影响电机的出力，更影响电机的可靠性，即抗退磁性能，将永磁体的厚度参数化，考察期对电机转矩波动、效率与抗退磁性能的影响，扫描的结果如图12～14所示。

可以看出，由于永磁体厚度方向的增加，电机空载时永磁体的工作点会上升，效率会有一个明显的上升，并且由于隔磁桥的饱和度增加，漏磁也会减少，此外，抗退磁能力也有明显的上升。转矩波动受永磁体厚度的影响较小，虽然会有略微的增加，但是基本保持在28 %不变，根据其这种特点，可以在优化完其他尺寸后单独设计。可根据几种考察的性能综合选定一个厚度值。

2.3 转子外圆偏心距

转子外圆偏心距，顾名思义，即转子的外圆是由几段不同心的圆弧组成的。偏心距的的增大会导致气隙的变大，导致电机的气隙磁密，尤其是谐波磁密的大量减少，从而优化气隙磁密的波形，但是基波含量的减少也会使出力略微降低。将转子外圆偏心距参数化，考察其对转矩以及转矩波动的影响。

图12 转矩波动随永磁体厚度变化曲线

图13 效率随永磁体厚度变化曲线

图14 退磁率随永磁体厚度变化曲线

图15 转矩波动随转子外圆偏心距变化曲线

图16 转矩随转子外圆偏心距变化曲线

尺寸扫描的结果如图15、16所示。和预期的一样，随着偏心距的增加，转矩波动大幅降低，转矩也大幅降低。而交替极电机一个优点就是永磁体用量相比于常规电机会大幅减少，所以，出力减小不利于这种结构优势的发挥，这和削减转矩波动是矛盾的。因此，采用增加转子外圆偏心距的方式削弱转矩波动对于常规电机而言是可以接受的，但是对于交替极电机来说是不适合的。

2.4 极靴磁束整理槽

极靴磁束整理槽，即设置在永磁转子磁极极靴部分的空气槽，用来整理永磁体发出的磁力线。如果是设置在永磁体的两端，除了整理磁力线以外，还能通过形成狭长、易饱和的磁桥，减少永磁体端部的漏磁，另一方面可以增强聚磁能力，提升电机的电磁转矩，调整极弧系数，优化转矩波动，如图17所示。将磁束整理槽的宽度w参数化，考察其对电机各项性能的影响。

扫描结果如图18、19所示。理论上极弧系数越接近1转矩波动越小，w增加转矩波动应该增加，但是从曲线上看是先减后增，似乎与理论不符，此过程中考察了反电势谐波畸变率THD，该曲线的趋势与转矩波动趋势基本一致，可以认为在w增加的过程中是气隙谐波的谐波含量起到了主要的作用。扫描过程中还发现，随着w的增加，聚磁逐渐增强，电磁转矩先增后减，效率趋势同样是先增后减，所以和转矩波动三者在2.2 mm左右均达到最佳值。

图17 极靴磁束整理槽示意

图18 转矩波动随极靴磁束整理槽宽度变化曲线

图19 反电势谐波畸变率随极靴磁束整理槽宽度变化曲线

3 结语

本文分析了交替极电机的运行原理，指出了其与常规电机的结构差异，并且分析了由其导致的优缺点。仿真分析了一些关键结构包括不对称极间磁束整理槽、永磁体厚度、转子外圆偏心距、极靴磁束整理槽对其性能的影响。在分析的过程中可以发现，考察的两个主要参数转矩波动与电机效率之间存在着矛盾，只能根据实际需求有所侧重地去选择各自对应的合适尺寸。可以预见，通过合理的优化设计可以让这种结构电机降成本、缩减体积的优势发挥出来，因此交替极电机在压缩机驱动领域有较好的应用前景。