This work presents a permanent magnet (PM) shaping technique with optimal third harmonic to improve the output torque without deteriorating the torque ripple in surface-mounted PM (SPM) machines. The optimal value of third harmonic injected into the sinusoidal PM shape for maximum torque improvement is analytically derived and confirmed by finite-element analysis. Further, the influence of magnet edge thickness on the airgap field distribution is investigated and utilized to compensate the inter-pole flux leakage and curvature effect. It is found that the optimal third harmonic is 1/6 of the fundamental one. For the SPM machines having rotors without shaping, Sine shaping, Sine shaping with third harmonic injected, the electromagnetic performance, including the back-EMF waveforms, cogging torque, average torque, and torque ripple are compared. It is demonstrated that the average torque in the machine of a Sine shaping with an optimal third harmonic injected can be improved by >9%, while the torque ripple remains similar to that of the one with Sine shaping. Finally, the machines with both conventional (without shaping) and optimal third harmonic PM rotors are prototyped and measured to validate the analyses

چکیده

این مقاله یک روش شکل دهی مغناطیس دائم با هارمونیک سوم بهینه جهت بهبود گشتاور خروجی، بدون بدتر شدن رایپل گشتاور در ماشین های PM نصب سطحی را ارائه می کند. مقدار بهینه هارمونیک سوم تزریق شده به PM سینوسی شکل برای بهبود حداکقر گشتاور، از نظر تحلیلی اثبات شده و توسط تحلیل المان محدود تایید شده است. بعلاوه، اثر ضخامت لبه آهن ربا بر توزیع میدان فاصله هوایی بررسی شده و جهت جبران سازی نشت شار درون-قطبی و تاثیرات انحنا (لبه) به کارگرفته شده است. می توان نشان داد که هارمونیک سوم بهینه برابر 1/6هارمونیک اصلی است. برای ماشین های SPM ای که دارای روتورهای بدون شکل دهی، شکل دهی سینوسی، شکل دهی سینوسی با هارمونیک سوم تزریق شده، عملکرد الکترومغناطیسی شامل شکل موج های نیروی برق وارانی، گشتاور دندانه ای، متوسط گشتاور و رایپل گشتاور مقایسه شده است. نشان داده شده است که میانگین گشتاور در ماشین یک شکل دهی سینوسی با هارمونیک سوم بهینه تزریق شده، می تواند بیشتر از 9 درصد بهبود یابد، درحالیکه رایپل گشتاور، مشابه به حالت شکل دهی سینوسی باقی می ماند. درنهایت، ماشین های با روتورهای PM هارمونیک سوم بهینه و متعارف، جهت تأیید تحلیل ها نمونه سازی و  اندازه گیری می‌شوند.

1-مقدمه

ماشین ها مغناطیس دائم، کاربردهای فراوانی از صنعت خودرو تا هوافضا در چهار دهه اخیر پیدا کرده است زیرا ویژگی های اصلی مهمی مانند چگالی گشتاور بالا، بازده بالا، و عملکرد دینامیکی عالی ای را ارائه می کنند [1-4]. با این حال، برای کاربردهای با کارایی بالا مانند سیستم های فرمان توان الکتریکی، سرو موتور، و مولدهای برق بادی با راه اندازی مستقیم، این موضوع چالش برانگیزتر بوده زیرا هر دو مورد چگالی گشتاور بالا و رایپل گشتاور پایین مورد نیاز است..