新型定子分區(qū)式磁通切換電機(jī)的電磁性能分析*

楊琳琳，　全　力，　朱孝勇，　杜　懌，　項(xiàng)子旋

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

新型定子分區(qū)式磁通切換電機(jī)的電磁性能分析*

楊琳琳，全力，朱孝勇，杜懌，項(xiàng)子旋

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：提出了一種永磁體與電樞繞組分離的新型定子分區(qū)式磁通切換永磁電機(jī)。該電機(jī)包含兩個(gè)定子，即帶有電樞繞組的內(nèi)分區(qū)定子和帶有永磁體的外分區(qū)定子?；谟邢拊治龇ǚ治隽穗姍C(jī)的性能，并與體積相同的傳統(tǒng)磁通切換電機(jī)相比，該電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩提高了33%。結(jié)果表明該電機(jī)采用的定子分區(qū)結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)磁通切換電機(jī)永磁體和電樞繞組用量的沖突，使得轉(zhuǎn)矩密度得到大幅度提升。

關(guān)鍵詞：定子分區(qū)； 磁通切換； 永磁電機(jī)； 有限元分析

0引言

隨著稀土永磁體的快速發(fā)展，永磁電機(jī)[1]由于其高轉(zhuǎn)矩密度和高效率成為研究熱點(diǎn)。根據(jù)永磁體的安放位置，永磁電機(jī)可分為定子永磁型[2]和轉(zhuǎn)子永磁型[3]。與轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)相比，定子永磁型電機(jī)轉(zhuǎn)子上既無(wú)永磁體也無(wú)繞組，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安裝簡(jiǎn)單、散熱方便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、適合高速運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)[4]。定子永磁型電機(jī)又分為雙凸極電機(jī)[5-10]、磁通切換電機(jī)[11-14]、磁通反向電機(jī)[15]3種；永磁體分別位于定子軛部、定子齒中間、定子齒尖表面。相較于其他兩種定子永磁型電機(jī)，磁通切換電機(jī)既具有雙凸極和磁通反向等定子永磁型電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適合高速運(yùn)行等特點(diǎn)，同時(shí)又通過(guò)其特殊的聚磁效應(yīng)使得電機(jī)具有功率密度高、效率高、輸出轉(zhuǎn)矩大、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正弦度高等優(yōu)點(diǎn)，更適合于航空、航天、航海和電動(dòng)汽車領(lǐng)域，被認(rèn)為是最具有發(fā)展前途的一種定子永磁型電機(jī)[16-19]。

但隨著對(duì)磁通切換電機(jī)研究的不斷深入，該類電機(jī)的固有不足或缺陷也日益顯現(xiàn)。一方面，電機(jī)永磁體和電樞繞組均同位于定子，當(dāng)電機(jī)內(nèi)徑一定時(shí)，沿圓周均布于定子齒中間的永磁體，客觀上減小了電機(jī)的有效槽面積和電樞繞組匝數(shù)，一定程度上限制了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和出力；另一方面，電機(jī)采用集中式繞組，永磁體位于電樞繞組的包裹和纏繞中，電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電樞繞組的熱量和溫升會(huì)導(dǎo)致永磁體溫度過(guò)高的問(wèn)題，從而降低永磁材料性能甚至發(fā)生不可逆去磁危險(xiǎn)。為改善磁通切換電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度并降低電機(jī)發(fā)生不可逆去磁危險(xiǎn)，本文提出了一種新型定子分區(qū)式磁通切換電機(jī)。該電機(jī)顯著特點(diǎn)是在電機(jī)的內(nèi)部增加了一個(gè)內(nèi)定子，同時(shí)將位于定子齒中間的永磁體從傳統(tǒng)磁通切換電機(jī)的定子齒上移至外定子，從而形成了一類新型定子內(nèi)外分區(qū)式結(jié)構(gòu)。由于采用了定子分區(qū)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了永磁體和電樞繞組分離式結(jié)構(gòu)，有效解決了永磁體和電樞繞組用量對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度等性能制約，所以使得轉(zhuǎn)矩密度得到提升。本文討論了該電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，分析了電機(jī)的電磁性能，并與傳統(tǒng)磁通切換電機(jī)進(jìn)行比較。研究表明，與體積相同的傳統(tǒng)磁通切換電機(jī)相比，采用這種定子分區(qū)的結(jié)構(gòu)使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度得到了大幅提升。

1電機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理

1.1電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

圖1(a)為本文提出的定子分區(qū)式磁通切換電機(jī)，包括內(nèi)外分區(qū)定子和中間轉(zhuǎn)子，內(nèi)外分區(qū)定子和轉(zhuǎn)子之間均具有氣隙，為便于加工，中間轉(zhuǎn)子由導(dǎo)磁鐵心和非導(dǎo)磁材料交替構(gòu)成。該電機(jī)由外定子、中間轉(zhuǎn)子以及內(nèi)定子在磁路上呈現(xiàn)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，共同形成電機(jī)的主磁路。其中永磁體嵌于外定子，三相集中式繞組繞在內(nèi)定子上，且各塊永磁體的徑向中心線分別與對(duì)應(yīng)的內(nèi)分區(qū)定子的定子齒中心對(duì)齊。與圖1(b)所示的傳統(tǒng)磁通切換電機(jī)結(jié)構(gòu)相比，在相同電機(jī)體積情況下，定子分區(qū)式磁通切換電機(jī)將永磁體和電樞繞組分離，以增大槽面積與永磁體用量，既能提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，同時(shí)電機(jī)永磁體的溫度更易控制。

圖1　電機(jī)結(jié)構(gòu)

本電機(jī)轉(zhuǎn)子極數(shù)與定子槽數(shù)滿足式(1)所示。

(1)

式中：Nr——轉(zhuǎn)子極數(shù)；

Ns——定子槽數(shù)；

k——正整數(shù)；

q——電機(jī)相數(shù)。

對(duì)于所提出的電機(jī)，k=1，q=3，Ns=12以及Nr=10。

1.2電機(jī)工作原理

圖2為該電機(jī)的工作原理示意圖。根據(jù)磁阻最小原理，磁通總是通過(guò)磁阻最小的路徑閉合。如圖2所示，隨著轉(zhuǎn)子位置的改變，從圖2(a)到圖2(b)，電機(jī)繞組中磁通的數(shù)量和方向發(fā)生改變。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)極距的范圍，磁通數(shù)量會(huì)從最大變?yōu)樽钚?，方向由進(jìn)入繞組到穿出繞組，轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)極距的時(shí)間即為電機(jī)一個(gè)電周期?；诖嗽?，當(dāng)轉(zhuǎn)子在上述兩個(gè)位置之間連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，繞組里匝鏈的磁通會(huì)在正負(fù)最大值之間呈周期性變化。

圖2　轉(zhuǎn)子不同位置時(shí)磁通路徑圖

圖3為一個(gè)電周期內(nèi)電機(jī)處于不同位置時(shí)的磁力線分布圖。圖3(a)所示位置穿過(guò)該線圈磁鏈最大，而圖3(b)和圖3(d)所示位置通過(guò)該線圈的磁鏈為0，圖3(c)所示為通過(guò)該線圈磁鏈最小。

圖3　轉(zhuǎn)子不同位置電機(jī)磁力線分布圖

圖4所示為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)極距，電機(jī)繞組的磁鏈波形，其中A，B，C，D點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)圖3(a)，(b)，(c)，(d)中四個(gè)轉(zhuǎn)子特定位置。

圖4　電機(jī)繞組磁鏈變化曲線

2電機(jī)尺寸優(yōu)化

對(duì)定子分區(qū)式磁通切換電機(jī)來(lái)說(shuō)，其可以優(yōu)化的電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)非常多，每個(gè)參數(shù)對(duì)于電機(jī)性能都有不同的影響。本文選取反電勢(shì)諧波畸變率、平均輸出轉(zhuǎn)矩以及齒槽轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化目標(biāo)，并選取與這3個(gè)性能較相關(guān)的轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)、轉(zhuǎn)子厚度、永磁體厚度、定子齒寬和定子槽開(kāi)口系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

定義轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)為如圖5所示的轉(zhuǎn)子弧長(zhǎng)與永磁體極弧寬度的比值，即

(2)

(3)

圖5　電機(jī)局部放大圖

圖6和圖7為轉(zhuǎn)子內(nèi)外極弧系數(shù)對(duì)所選優(yōu)化目標(biāo)的影響，可以看出，由于轉(zhuǎn)子內(nèi)極弧靠近繞組側(cè)，故對(duì)反電勢(shì)畸變率影響較大，且極弧系數(shù)越大輸出轉(zhuǎn)矩越小；而轉(zhuǎn)子外極弧對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩影響較大，且轉(zhuǎn)子外極弧越大，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩越小，反電勢(shì)畸變率也越小。因此，選取內(nèi)轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)Kri=0.433，外轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)Kro=0.466。

圖6　轉(zhuǎn)子內(nèi)極弧對(duì)電機(jī)性能的影響

圖7　轉(zhuǎn)子外極弧對(duì)電機(jī)性能的影響

如圖8所示，轉(zhuǎn)子厚度對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響較小，對(duì)反電勢(shì)畸變率影響較大，隨著轉(zhuǎn)子厚度的增加，輸出轉(zhuǎn)矩總體呈上升趨勢(shì)，故轉(zhuǎn)子厚度選取6mm。

圖8　轉(zhuǎn)子厚度對(duì)電機(jī)性能的影響

圖9給出的是永磁體厚度與優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)的變化曲線。本文在維持永磁體用量不變的前提下，對(duì)永磁體的形狀進(jìn)行了優(yōu)化?？梢?jiàn)永磁體形狀的改變，對(duì)反電勢(shì)波形和齒槽轉(zhuǎn)矩的影響較大，但對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩大小幾乎沒(méi)有影響。因此，永磁體厚度選6mm。

圖9　永磁體厚度對(duì)電機(jī)性能的影響

定子槽開(kāi)口比率定義為如圖10所示的定子槽口弧度與定子極弧長(zhǎng)度之比，即

(4)

圖10　電機(jī)局部放大圖

如圖11和圖12所示，定子齒寬與定子槽開(kāi)口比率對(duì)電機(jī)空載反電勢(shì)諧波畸變率影響極大，對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩及齒槽轉(zhuǎn)矩的影響有限。故選取定子齒寬為2.5mm，定子槽開(kāi)口比率Ks=0.556。

圖11　定子齒寬對(duì)電機(jī)性能的影響

圖12　定子槽開(kāi)口比率對(duì)電機(jī)性能的影響

考慮定子分區(qū)磁通切換電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩值以及轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性，即在電機(jī)輸出較大轉(zhuǎn)矩的同時(shí)使得電機(jī)的反電勢(shì)諧波畸變率和齒槽轉(zhuǎn)矩最小，依據(jù)上述最終可得到定子分區(qū)磁通切換電機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)值，見(jiàn)表1。

表1　電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3電磁性能分析與比較

通過(guò)對(duì)電機(jī)優(yōu)化，確定電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)后，利用有限元分析計(jì)算，可對(duì)電機(jī)進(jìn)行深入的電磁性能分析。為了更好地分析定子分區(qū)式磁通切換電機(jī)的性能，在此，選取如圖1(b)所示的傳統(tǒng)磁通切換電機(jī)在兩電機(jī)體積相同的情況下與本文所提出的定子分區(qū)式磁通切換電機(jī)進(jìn)行對(duì)比。

兩電機(jī)空載情況下的三相磁鏈對(duì)比如圖13所示。從圖13中可看出，兩電機(jī)磁鏈均類似正弦波，呈雙極性分布，且對(duì)稱程度較高，定子分區(qū)式磁通切換電機(jī)的磁鏈幅值為0.0144Wb，高于傳統(tǒng)磁通切換電機(jī)的0.0104Wb。圖14所示的反電勢(shì)對(duì)比圖同樣是定子分區(qū)式磁通切換電機(jī)的反電勢(shì)高于傳統(tǒng)磁通切換電機(jī)。

圖13　電機(jī)磁鏈對(duì)比

圖14　電機(jī)反電勢(shì)對(duì)比

由圖15所示的兩電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖可知定子分區(qū)磁通切換電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩比傳統(tǒng)磁通切換電機(jī)大，這是由于定子分區(qū)磁通切換電機(jī)的永磁體磁場(chǎng)更強(qiáng)的緣故。如圖16所示，同樣由于定子分區(qū)磁通切換電機(jī)的永磁體磁場(chǎng)更強(qiáng)，定子分區(qū)磁通切換電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩比傳統(tǒng)磁通切換電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩高出33%?？梢?jiàn)采用定子分區(qū)結(jié)構(gòu)后磁通切換電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩得到大幅度提升。

圖15　電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比

圖16　電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)比

4結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新型定子分區(qū)式磁通切換電機(jī)。該電機(jī)采用定子分區(qū)的結(jié)構(gòu)，充分利用電機(jī)內(nèi)部空間，解決了傳統(tǒng)磁通切換電機(jī)永磁體和電樞繞組用量相互限制的問(wèn)題，使得在同樣電機(jī)體積下永磁體用量和電樞繞組用量可以增大以提升轉(zhuǎn)矩密度。由于電樞繞組和永磁體的分離，故更易于電機(jī)的散熱、冷卻。基于有限元分析優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，與體積相同的傳統(tǒng)磁通切換電機(jī)相比，永磁體磁場(chǎng)更強(qiáng)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩高出33%。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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Electromagnetic Performance Analysis of a New Stator Partitioned Switched Flux Permanent Magnet Machine*

YANGLinlin，QUANLi，ZHUXiaoyong，DUYi，XIANGZixuan

(School of Electrical and Information Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract：A novel partitioned stator switched flux PM (PS-SFPM) machine with separated PMs and armature windings was presented. The proposed machine has two stators, i.e. one stator having the armature windings and another stator having the PMs. By using the finite element analysis, the performances of the proposed machine are analyzed accurately. Compared with the conventional switched flux machine, the proposed machine offers about 33% higher electromagnetic torque under the conditions of reduced PM volume and same machine volume. Besides, the new machine benefits from the removal of trade-off between PM and armature winding space on the stator, allowing more copper and PM volume within the same machine volume to further increase the torque density.

Key words：stator partitioned; switched flux machine; permanent magnet machine; finite element analysis

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51177065)；國(guó)家自然基金項(xiàng)目(51377073)；國(guó)家自然基金項(xiàng)目(51477069)

作者簡(jiǎn)介：楊琳琳(1991—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉雌囉孟⊥炼ㄗ臃謪^(qū)磁通切換電機(jī)。 朱孝勇(1975—)，男，博士生導(dǎo)師，教授，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，新型電機(jī)設(shè)計(jì)與控制等。 項(xiàng)子旋(1987—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)刷化雙轉(zhuǎn)子磁通切換電機(jī)及其控制技術(shù)。

中圖分類號(hào)：TM 302

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-6540(2016)05- 0033- 05

收稿日期：2015-11-02

全力(1963—)，男，博士生導(dǎo)師，教授，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其控制系統(tǒng)和汽車的電氣控制技術(shù)。

杜懌(1979—)，男，碩士生導(dǎo)師，副教授，研究方向?yàn)槎ㄗ佑来判碗姍C(jī)設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)研究。