新型磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其驅(qū)動(dòng)研究

楊忠學(xué)，段玉波，連國(guó)一

(1.東北石油大學(xué)，大慶 163318； 2.哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱 150080)

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新型磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其驅(qū)動(dòng)研究

楊忠學(xué)1，段玉波1，連國(guó)一2

(1.東北石油大學(xué)，大慶 163318； 2.哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱 150080)

傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，往往需要通過大量的減速裝置來進(jìn)行傳動(dòng)，為了解決這一問題，出現(xiàn)了一種新型磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)，它打破了傳統(tǒng)齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部非接觸式傳動(dòng)。闡述了其結(jié)構(gòu)及工作原理，并在此基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步的改進(jìn)，提高了永磁體的利用率，同時(shí)利用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行電磁分析，且采用場(chǎng)路耦合的方法，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)仿真。計(jì)算結(jié)果表明改進(jìn)后的新型磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)具有優(yōu)良的電磁特性及可控性。

磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)；有限元；場(chǎng)路耦合；磁路結(jié)構(gòu)

0 引 言

在日常生活中電動(dòng)機(jī)的許多應(yīng)用場(chǎng)合，都需要其具有較低的轉(zhuǎn)速及足夠大的扭矩，目前絕大部分電動(dòng)機(jī)是通過減速齒輪裝置，來達(dá)到降速提高扭矩的目的。然而在電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中加入了機(jī)械齒輪后，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的體積，重量，噪音明顯加大，其傳動(dòng)精度，效率及響應(yīng)速度都受到了相應(yīng)的影響，齒輪的磨損降低了其壽命及可靠性。因此隨著社會(huì)的發(fā)展，低速大扭矩的直驅(qū)電機(jī)將得到廣泛的應(yīng)用。

很多文獻(xiàn)對(duì)此做了研究 ，如電動(dòng)車輪轂式直驅(qū)永磁無刷電機(jī)[1]、電梯直接驅(qū)動(dòng)永磁外轉(zhuǎn)子同步曳引機(jī)[2]、抽油機(jī)直驅(qū)式低速大扭矩永磁同步電機(jī)[3]。

磁場(chǎng)調(diào)制式永磁齒輪具有高扭矩密度、無接觸傳動(dòng)、噪聲小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此磁場(chǎng)調(diào)制式永磁齒輪與永磁電機(jī)同軸組合成的傳動(dòng)系統(tǒng)，以其自身獨(dú)特的傳動(dòng)特性，高轉(zhuǎn)矩密度，必將適應(yīng)于低速大轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用場(chǎng)合。目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[4]提出的復(fù)合型游標(biāo)電機(jī)，采用有限元的方法對(duì)其進(jìn)行了電磁仿真。文獻(xiàn)[5]中結(jié)合了數(shù)值解析分析方法計(jì)算了復(fù)合電機(jī)電磁場(chǎng)，并制作了樣機(jī)。文獻(xiàn)[6]給出了磁力齒輪外轉(zhuǎn)式永磁無刷電機(jī)，并簡(jiǎn)化了電機(jī)結(jié)構(gòu)。通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。文獻(xiàn)[7]針對(duì)復(fù)合電機(jī)損耗進(jìn)行了仿真計(jì)算，并進(jìn)行了電機(jī)結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。文獻(xiàn)[8]將傳統(tǒng)分?jǐn)?shù)槽永磁同步電機(jī)與復(fù)合電機(jī)機(jī)械性能和效率進(jìn)行了對(duì)比。

本文針對(duì)直驅(qū)式永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)，提出一種新型磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)，將磁性齒輪非接觸式傳動(dòng)這一特點(diǎn)，與傳統(tǒng)外轉(zhuǎn)子表貼式永磁同步電機(jī)結(jié)合，并對(duì)其磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，同時(shí)采用有限元軟件對(duì)新型結(jié)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行電磁性能的分析，最后通過場(chǎng)路耦合方法，搭建了永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)動(dòng)態(tài)性能分析。

1 新型磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)初始結(jié)構(gòu)

磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)初始結(jié)構(gòu)如圖1所示，此結(jié)構(gòu)為雙層氣隙，內(nèi)定子與外轉(zhuǎn)子之間，均勻分布25塊調(diào)磁鐵塊，內(nèi)定子是三相6極36槽單層整數(shù)繞組，外轉(zhuǎn)子由22對(duì)均勻分布的表貼磁鋼及轉(zhuǎn)子鐵心軛組成，采用徑向充磁方式。

圖1 磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)初始結(jié)構(gòu)

1.2 磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)改進(jìn)結(jié)構(gòu)

改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，此結(jié)構(gòu)為三層氣隙，其特點(diǎn)是將圖1中轉(zhuǎn)子軛部添加25個(gè)齒后，變?yōu)橥舛ㄗ?，永磁轉(zhuǎn)子采用軸向端部固定方式進(jìn)行傳動(dòng)。

圖2 磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)改進(jìn)結(jié)構(gòu)

1.3 磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)運(yùn)行機(jī)理

新型磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)是通過對(duì)傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并結(jié)合了磁場(chǎng)調(diào)制式特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)其扭矩的放大及變速目的。其結(jié)構(gòu)主要由三部分組成，分別是少極的內(nèi)定子和多極的外轉(zhuǎn)子，兩者中間為導(dǎo)磁非導(dǎo)磁材料交替排列的調(diào)磁鐵環(huán)，起到調(diào)制內(nèi)外磁場(chǎng)的目的。新型磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)利用調(diào)磁鐵塊引起主磁路磁阻發(fā)生變化，使兩邊的主極磁場(chǎng)經(jīng)調(diào)制后產(chǎn)生相應(yīng)磁極對(duì)數(shù)的諧波磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)扭矩的穩(wěn)定傳輸。與傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)相比，其主要特點(diǎn)在于采用磁場(chǎng)調(diào)制原理，可以達(dá)到更低輸出轉(zhuǎn)速的目的。

外轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)速，主要由內(nèi)定子電流頻率及外轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)決定。假設(shè)內(nèi)定子由三相電流形成pi對(duì)旋轉(zhuǎn)磁極，外轉(zhuǎn)子是po對(duì)磁極，調(diào)磁鐵塊的個(gè)數(shù)是Ns，內(nèi)定子電流頻率是f，Gr為內(nèi)外氣隙轉(zhuǎn)速比。則外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度ωo與它們之間有如下關(guān)系：

Ns=pi+po

(1)

(2)

(3)

2 磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)有限元仿真分析

初始結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1、表2所示。文中利用有限元軟件對(duì)兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行了二維有限元下的瞬態(tài)仿真計(jì)算。

表1 初始結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)調(diào)制式永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后磁場(chǎng)調(diào)制式永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)空載運(yùn)行特性

空載運(yùn)行特性是電機(jī)的基本特性之一，通過空載運(yùn)行特性可以知道電機(jī)磁路設(shè)計(jì)的是否合理。本文對(duì)兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)在空載狀態(tài)，轉(zhuǎn)子以600 r/min運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行了電磁仿真計(jì)算，得到如下仿真數(shù)據(jù)。圖3(a)為初始結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)的空載磁鏈，圖3(b)為結(jié)構(gòu)改進(jìn)后磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)的空載磁鏈，經(jīng)對(duì)比可知，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)，在永磁體相同用量時(shí)，永磁磁鏈幅值提高了0.9倍。由于兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)為表貼式永磁同步電機(jī)，常采用id=0 控制方式驅(qū)動(dòng) ，對(duì)于表貼式永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te=1.5pψfiq，可以看出當(dāng)定子繞組q軸電流相同時(shí)，較初始結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī),結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)的輸出電磁轉(zhuǎn)矩更高。

(a)初始結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)(b)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后永磁電機(jī)

圖3 空載磁鏈波形

初始結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)改進(jìn)后磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)空載反電勢(shì)波形如圖4所示，對(duì)其進(jìn)行FFT分解后，得到基波及各次諧波頻譜如圖5所示?；谥C波分析結(jié)果，可以直觀地看出，改進(jìn)后的空載反向電勢(shì)畸變率小，可以有效抑制負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

(a)初始結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)(b)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后永磁電機(jī)

圖4 空載反電勢(shì)波形

圖5 空載反電勢(shì)諧波分析

圖6為改進(jìn)前后兩種永磁電機(jī)徑向氣隙磁密波形，從圖7中的徑向氣隙磁密傅里葉分解，可以看出，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后氣隙磁密基波幅值明顯提高，畸變率相對(duì)減小，且氣隙磁密的波形得到了改善，從而提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力，加大了電機(jī)弱磁擴(kuò)速范圍。

(a)初始結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)(b)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后永磁電機(jī)

圖7 徑向氣隙磁密諧波分析

根據(jù)圖8所示兩種結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形，可知結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形幾乎沒有發(fā)生改變，且結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值相對(duì)較小。

(a)初始結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)(b)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后永磁電機(jī)

圖8 齒槽轉(zhuǎn)矩波形

2.2 兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行分析

電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)將嚴(yán)重影響控制精度，同時(shí)引發(fā)振動(dòng)噪聲。而電機(jī)損耗，直接影響著電機(jī)運(yùn)行時(shí)溫升及效率。下圖為兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)在相同負(fù)載條件下進(jìn)行的電磁仿真計(jì)算，圖9 為改進(jìn)前后磁場(chǎng)調(diào)制永磁電機(jī)穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩波形,其相應(yīng)的損耗波形如圖10所示。從圖9中可以看出改進(jìn)前后磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)，在負(fù)載為40N·m時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都很小，有利于負(fù)載條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。而由圖10中的損耗數(shù)據(jù)表明，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)較初始結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)總損耗明顯加大，其原因是由于改后永磁電機(jī)的總損耗，較初始結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)增加了外定子軛部的鐵損及永磁體的渦流損耗，與其銅耗減少量相比，增加的較多，故總損耗加大 。

(a)初始結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)(b)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后永磁電機(jī)

圖9 電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩波形

圖10 電機(jī)損耗

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)起動(dòng)調(diào)速性能分析

傳統(tǒng)非自啟動(dòng)正弦波永磁同步電機(jī)，通過采用施加理想正弦電壓電流激勵(lì)，來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)分析，并未考慮實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電壓電流所含大量諧波分量。本文采用場(chǎng)路耦合的方法，搭建的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，采用SVPWM調(diào)制算法，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速目的。電機(jī)方面充分考慮了漏磁、損耗、磁路飽和及電流中所含大量諧波對(duì)電機(jī)運(yùn)行時(shí)性能的影響，實(shí)現(xiàn)電機(jī)與控制系統(tǒng)無縫連接。

圖11為結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)聯(lián)合仿真的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型。其采用單相橋式不可控整流電路為主電路提供直流電源，利用id=0矢量控制產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，通過三相逆變電路，完成電機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速、加載等過程。下面對(duì)幾種運(yùn)行工況進(jìn)行了仿真分析。

圖11 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)聯(lián)合仿真模型

3.1 電機(jī)空載條件下啟動(dòng)調(diào)速加載

圖12為結(jié)構(gòu)改進(jìn)后磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)在空載條件下起動(dòng)，40ms時(shí)提升轉(zhuǎn)速，70ms時(shí)，突然施加5N·m負(fù)載的電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形。從圖中可以看出結(jié)構(gòu)改進(jìn)后永磁電機(jī)在控制系統(tǒng)下，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。由此可以看出改進(jìn)后的磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)具有較好地可控性。

(a)電流波形(b)轉(zhuǎn)速波形

(c) 轉(zhuǎn)矩波形

3.2 電機(jī)負(fù)載條件下的啟動(dòng)調(diào)速

圖13為結(jié)構(gòu)改進(jìn)后磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)帶20N·m負(fù)載條件下啟動(dòng)，50ms時(shí)提升轉(zhuǎn)速的電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形，可以看出結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)在負(fù)載條件下，對(duì)比圖12(a)電流波形，其正弦性較好，諧波含量較小，并具有良好的帶載起動(dòng)能力。

(a)電流波形(b)轉(zhuǎn)速波形

(c) 轉(zhuǎn)矩波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)電磁及調(diào)速性能的分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)改進(jìn)后磁場(chǎng)調(diào)式永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，并根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得到如下結(jié)論：

(1) 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)，提高了轉(zhuǎn)矩輸出能力，與具有相同外形尺寸初始結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)相比較，轉(zhuǎn)矩密度更高，永磁體用量更少。

(2) 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)通過場(chǎng)路耦合方法，實(shí)現(xiàn)與控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合。仿真數(shù)據(jù)表明，所搭建控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性，使得電機(jī)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，證實(shí)了結(jié)構(gòu)改進(jìn)后磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)具有較好的可控性，同時(shí)為動(dòng)態(tài)分析新型磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)在各種工況下運(yùn)行，提供較為真實(shí)的驅(qū)動(dòng)條件。

(3) 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的磁場(chǎng)調(diào)制式永磁電機(jī)損耗較之前明顯提高，針對(duì)損耗過大問題可以進(jìn)一步在永磁轉(zhuǎn)子方面進(jìn)行改進(jìn)，以減小渦流損耗，降低永磁體退磁風(fēng)險(xiǎn)。

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Study on Design and Drive of the Novel Magnetic Field Modulation Type Permanent Magnet Motor

YANGZhong-xue1,DUANYu-bo1,LIANGuo-yi2

(1.Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2.Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China)

The mechanical gearboxes was widely used for transmission in the traditional permanent magnet synchronous motor driving system.In order to solve this problem, a novel flux-modulated-motor (FMM) which realizes the non-contact transmission instead of the tradition gear engagement was studied in previous research.The basic structure and operating principle of the motor were described in this paper, and then its magnetic circuit structure was improved which resulted in the improvement of the permanent magnets utilization.The electromagnetic performances of the motor were analyzed by using the finite elememt, and the compound drive was achieved by using the field-circuit coupled method.The results show that the novel flux-modulated motor has excellent electromagnetic performances and controllability.

flux-modulated motor; finite element; field circuit coupled; magnetic structure

2015-09-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51107022)；黑龍江省杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(JJ2016JQ0049)；哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)基金項(xiàng)目(RC2014QN007005)

TM351

A

1004-7018(2016)09-0015-04

楊忠學(xué)(1974-)，男，碩士，研究方向?yàn)樾滦痛琵X輪復(fù)合電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究。