繞組跨接式分體雙轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)的研究和設(shè)計(jì)

胡余生， 陳 彬,童 童

(1.珠海格力電器股份有限公司,珠海 519000;2.珠海格力節(jié)能環(huán)保制冷技術(shù)研究中心有限公司，珠海 519000)

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繞組跨接式分體雙轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機(jī)的研究和設(shè)計(jì)

胡余生1,2， 陳 彬1,2,童 童2

(1.珠海格力電器股份有限公司,珠海 519000;2.珠海格力節(jié)能環(huán)保制冷技術(shù)研究中心有限公司，珠海 519000)

為解決轉(zhuǎn)子分體式開關(guān)磁阻(S-SR)電機(jī)效率提升不理想問題，對(duì)繞組跨接式分體雙轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻(DJ-S-SR)電機(jī)進(jìn)行研究。該電機(jī)采用內(nèi)外轉(zhuǎn)子單端同軸輸出結(jié)構(gòu)，雙套軸承，避免了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)常用的懸臂結(jié)構(gòu)可能造成的軸承壽命縮短問題。繞組采用跨接，避免內(nèi)外磁路共軛引起的定子軛部飽和。研究了定子外徑、內(nèi)徑比值，定、轉(zhuǎn)子極弧，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子相錯(cuò)角對(duì)性能的影響程度。在同體積下研制3.5 kW的V-SR電機(jī)和DJ-S-SR電機(jī)，對(duì)比實(shí)測(cè)效率，確認(rèn)了DJ-S-SR電機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)。

開關(guān)磁阻電機(jī);分體雙轉(zhuǎn)子;繞組跨接式

0 引 言

開關(guān)磁阻電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱SRM)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，冷卻方便，對(duì)高溫等惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，還具有控制靈活，可靠性高，容錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。基于上述優(yōu)點(diǎn)，SRM在航空航天、電動(dòng)車系統(tǒng)以及新能源系統(tǒng)等領(lǐng)域具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，成為各國(guó)研究和開發(fā)的熱點(diǎn)[1-8]。磁阻式電動(dòng)機(jī)最早可追溯到19世紀(jì)40年代[7]，隨著電力電子的發(fā)展，SRM系統(tǒng)也不斷完善；近年，SRM新結(jié)構(gòu)的研究成為熱點(diǎn)，格外引人注目的是轉(zhuǎn)子分體式開關(guān)磁阻(以下簡(jiǎn)稱S-SR)電機(jī)結(jié)構(gòu)的提出。

S-SR電機(jī)結(jié)構(gòu)于2002年由英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的B.C Mecrow 教授提出[8],2011年南京航空航天大學(xué)鄧智全教授及其同事在多篇專利及論文中深入闡述[9-10]， 2011年長(zhǎng)崎大學(xué)工學(xué)部在日本電機(jī)展上展示了S-SR樣機(jī)，并將研究成果進(jìn)行文獻(xiàn)公開。

S-SR電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)使其在銅損和鐵損上均具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)日本學(xué)者在研究S-SR電機(jī)時(shí)指出其不僅可提高性能，亦能減小單齒徑向力[11-12]，可有效緩解SRM噪聲問題。然而S-SR電機(jī)繞組跨距大，因而端部過大，不僅造成了材料的浪費(fèi)，繞組端部額外的銅耗影響了性能的發(fā)揮，限制了S-SR電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用。

本文提出的繞組跨接式分體雙轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻(以下簡(jiǎn)稱DJ-S-SR)電機(jī)可解決以上問題，首先介紹了該電機(jī)結(jié)構(gòu)和特性，其次總結(jié)關(guān)鍵尺寸對(duì)電機(jī)性能的影響，最后通過實(shí)際樣機(jī)的對(duì)比測(cè)試，證明了DJ-S-SR電機(jī)的優(yōu)越性和可行性。

1 DJ-S-SR電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 DJ-S-SR電機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖1給出了DJ-S-SR電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖：定子支架通過螺釘固定在機(jī)殼上，定子通過安裝孔固定在定子支架的臂上，定子支架布置有大軸承和小軸承共兩套，轉(zhuǎn)軸同內(nèi)轉(zhuǎn)子緊固為一體，可旋轉(zhuǎn)的布置在小軸承的內(nèi)圈；外轉(zhuǎn)子支架同外轉(zhuǎn)子通過焊接方式固定為一體， 可旋轉(zhuǎn)的布置在大軸承的外圈，外轉(zhuǎn)子支架的尾端通過過盈或內(nèi)外花鍵的方式緊固在軸上，即實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外轉(zhuǎn)子同軸輸出轉(zhuǎn)矩，軸伸端通過電機(jī)支撐端蓋的軸孔伸出，電機(jī)的引出線通過機(jī)殼引出，軸同機(jī)殼之間以及外轉(zhuǎn)子支架同機(jī)殼之間采用潤(rùn)滑脂或油封密封，機(jī)殼外部具有凸緣結(jié)構(gòu)用于固定在使用設(shè)備上。

圖1 DJ-S-SR電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子均為分體結(jié)構(gòu)，由多個(gè)扇形導(dǎo)磁塊均勻地固定在不導(dǎo)磁支架上形成整體。各個(gè)導(dǎo)磁塊在圓周方向存在用于隔磁的距離；其中，各內(nèi)轉(zhuǎn)子塊通過T型槽固定在不導(dǎo)磁支架上，各外轉(zhuǎn)子塊焊接固定在外轉(zhuǎn)子支架上。

定子具有內(nèi)層槽和外層槽，每個(gè)槽、齒均徑向相背，槽內(nèi)布置繞組，內(nèi)外層齒共軛。

令內(nèi)、外層槽數(shù)均為Ns、內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的塊數(shù)均為Nr，電機(jī)相數(shù)為m，遵守以下關(guān)系：

(1)

定子繞組為集中卷結(jié)構(gòu)，元件的兩個(gè)圈邊分別布置在周向相鄰的內(nèi)層槽和外層槽中，繞組端部斜跨在定子軛部上，各相繞組周向依次排布。相比繞組元件的兩個(gè)圈邊布置在徑向相對(duì)的內(nèi)、外層槽中的繞制方式，跨接式繞組使定子軛部的磁力線沿周向鋪開，消除了磁力線的“共軛”現(xiàn)象(如圖2所示)，故而在其他設(shè)計(jì)相同的情況下，可將軛部厚度減薄近一半，減薄軛部的空間可用于增加用銅量降低銅損或用于減小電機(jī)體積。

(a)共軛(a)不共軛

圖2 磁力線共軛及不共軛情況對(duì)比

1.2 DJ-S-SR電機(jī)的工作原理

圖3 電感及相電流隨轉(zhuǎn)子位置示意圖(A相)

圖4示意了DJ-S-SR電機(jī)在0°，12°，30°，45°時(shí)的轉(zhuǎn)子位置圖及主磁通磁力線。運(yùn)行過程如下：0°時(shí)，A相開始導(dǎo)通，磁阻效應(yīng)引起的磁拉力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；12°時(shí)，電感大幅增加，A相電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；30°附近，B相開始導(dǎo)通，A相開始關(guān)斷，進(jìn)入續(xù)流狀態(tài)；45°時(shí)，A相續(xù)流完畢，電流為零，B相重復(fù)A相過程， C相重復(fù)B相過程，如此反復(fù)，達(dá)到轉(zhuǎn)矩的連續(xù)輸出。

(a)0°(b)12°(c)30°(d)45°

圖4 不同轉(zhuǎn)子位置下轉(zhuǎn)子平面示意圖

2 磁路特性分析

圖5 V-SR電機(jī)結(jié)構(gòu)及等效磁路圖

圖6 簡(jiǎn)化后的DJ-S-SR電機(jī)結(jié)構(gòu)及等效磁路

V-SR電機(jī)為并聯(lián)磁勢(shì)結(jié)構(gòu)，由圖5可得：

(2)

DJ-S-SR電機(jī)為分立式磁勢(shì)結(jié)構(gòu)，由圖6可得：

(3)

(4)

令槽面積與槽內(nèi)導(dǎo)體數(shù)N相同，輸入相同的電流i時(shí)：

(5)

(6)

通常鐵心磁壓降占比小，從式(2)～式(4)可看出φ12≈φ3=φ4。式(2)、式(3)、式(4)分別代入式(5)和式(6)可以看出：即使在考慮鐵心磁壓降以及磁路飽和因素時(shí)，相同的輸入下，DJ-S-SR電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩仍大于V-SR電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

3 電機(jī)設(shè)計(jì)研究

為保證電機(jī)的出力及啟動(dòng)性能，DJ-S-SR電機(jī)需滿足以下：

(7)

(8)

(9)

式中：βsi,βso,βri,βro表示內(nèi)定子齒、外定子齒，內(nèi)轉(zhuǎn)子塊、外轉(zhuǎn)子塊的極??；Zs,Zr分別表示定子、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。

除此之外，為獲得較高的凸極比，隔磁距離通常需要大于20～30倍的氣隙長(zhǎng)度[13]。

由于DJ-S-SR電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，定子內(nèi)外徑比值、定轉(zhuǎn)子極弧、內(nèi)外轉(zhuǎn)子錯(cuò)開角等參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響尤為關(guān)鍵。

設(shè)計(jì)一款三相6-4結(jié)構(gòu)DJ-S-SR電機(jī)，目標(biāo)如下：外轉(zhuǎn)子外徑139 mm，疊高80 mm，額定功率3.5 kW，額定轉(zhuǎn)速3 600 r/min；考慮到電頻率高達(dá)240 Hz，采用 B35A300硅鋼片材料。仿真模型如圖7所示。

圖7 有限元仿真模型

3.1 定子外徑內(nèi)徑比值Di2/Di1對(duì)性能影響仿真分析

Di2/Di1較小時(shí)，即定子外徑過小或者內(nèi)徑過大時(shí)，此時(shí)由于定子槽面積被壓縮，使得電阻增加，銅耗占比上升；同時(shí)定子軛部磁密增加，導(dǎo)致鐵損亦增加；Di2/Di1較大時(shí)，即定子外徑過大或者內(nèi)徑過小時(shí)，主要由于內(nèi)轉(zhuǎn)子的隔磁距離受外徑減小而下降，內(nèi)轉(zhuǎn)子的效率下降引起總體輸出效率下降，亦銅耗占比上升；此外，Wr1/Wr2的下降使得轉(zhuǎn)子磁密過大，轉(zhuǎn)子磁路飽和，鐵損增加；圖8給出了Di2/Di1對(duì)性能的影響，當(dāng)Di2/Di1的取值為1.9～2.3時(shí)，電機(jī)整體效率較高。

圖8 對(duì)電機(jī)損耗及性能的影響

3.2 定子極弧對(duì)性能影響仿真分析

定、轉(zhuǎn)子的極弧設(shè)計(jì)對(duì)于該電機(jī)的性能尤為關(guān)鍵，在滿足隔磁距離大于20～30倍氣隙長(zhǎng)度的前提下，固定轉(zhuǎn)子極弧為0.866，得出不同定子內(nèi)極弧系數(shù)在不同的負(fù)載下的曲線如圖9所示。

圖9 不同定子極弧系數(shù)在各負(fù)載下的仿真效率

隨著極弧的增加，其效率先增加后減小，存在最大效率點(diǎn)。分析如下：當(dāng)定子極弧過小時(shí)，隔磁距離過大，隔磁效果增加不明顯，反而降低了有效轉(zhuǎn)矩的輸出，電機(jī)出力下降；定子極弧過大時(shí)，隔磁距離過小，漏磁增加明顯，凸極比下降，電機(jī)出力下降。二者均會(huì)導(dǎo)致效率的下降。

進(jìn)一步地，不同的負(fù)載下，其最大效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的極弧系數(shù)是不同的，50%，100%，150%負(fù)載下最大效率對(duì)應(yīng)的定子極弧系數(shù)分別為0.866,0.800,0.733。

外定子極弧略大于內(nèi)定子極弧，可以在內(nèi)定子極弧的基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)。

3.3 DJ-S-SR電機(jī)降轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)仿真分析

SRM的凸極性強(qiáng)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，影響了該電機(jī)的應(yīng)用。相比單轉(zhuǎn)子SRM，DJ-S-SR電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出為內(nèi)外轉(zhuǎn)子的總成，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)內(nèi)外轉(zhuǎn)子同時(shí)達(dá)到最小磁阻和最大磁阻位置時(shí)，內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩是同時(shí)達(dá)到峰值和峰谷，此時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最大。當(dāng)內(nèi)外轉(zhuǎn)子相錯(cuò)一定的角度δ，可利用峰-谷互補(bǔ)以降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。如圖10所示，當(dāng)存在δ角時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩峰值和谷值是錯(cuò)開的，因此合成轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)可大幅削減。

圖10 DJ-S-SR電機(jī)轉(zhuǎn)子錯(cuò)位轉(zhuǎn)矩合成示意圖

圖11 DJ-S-SR電機(jī)效率η、脈動(dòng)因數(shù)μ隨δ變化圖

4 試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證仿真，同體積下試制3.5 kW的V-SR電機(jī)和DJ-S-SR電機(jī)，電機(jī)主要尺寸對(duì)比如表1所示，實(shí)物圖如圖12、圖13所示。

DJ-S-SR電機(jī)由于繞組跨接在環(huán)形閉合的軛部上，需采用環(huán)形繞線機(jī)配合導(dǎo)線工裝進(jìn)行繞制；V-SR電機(jī)按照集中繞線方式直接繞制在定子齒上。

表1 DJ-S-SR電機(jī)和V-SR電機(jī)尺寸對(duì)比

圖12 V-SR樣機(jī)實(shí)物圖

圖13 DJ-S-SR樣機(jī)實(shí)物圖

此外，考慮到SRM頻率高，諧波豐富，避免轉(zhuǎn)子渦流損耗過大，定轉(zhuǎn)子均采用不銹鋼螺釘緊固；DJ-S-SR電機(jī)轉(zhuǎn)子支架同轉(zhuǎn)子塊之間浸漆絕緣處理。

控制器采用自主開發(fā)的開關(guān)磁阻控制器，采用雙閉環(huán)控制策略，如圖14所示；硬件系統(tǒng)核心由數(shù)字控制器、光耦隔離電路、驅(qū)動(dòng)及功率電路、檢測(cè)電路組成[14]。

圖14 DJ-S-SR電機(jī)控制示意框圖

DJ-S-SR電機(jī)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試時(shí)，采用APC(角度位置控制)和CCC(電流斬波控制)的驅(qū)動(dòng)方式分別采集樣機(jī)波形如圖15所示，從電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定情況來看，低速更適合于采用CCC控制方式，高速更適合于APC控制方式，實(shí)驗(yàn)波形如下。

高速時(shí)，采用APC控制，減少開關(guān)次數(shù)，電流較為平滑，降低控制器損耗，IGBT控制主要受位置反饋信號(hào)控制；低速時(shí)，采用CCC控制，避免電流超調(diào)，使得輸出電流及時(shí)跟隨指令電流。IGBT控制主要受電流指令控制。

(a) APC控制

(b) CCC控制

圖15 不同控制方式下電流及繞組電壓波形

測(cè)試條件：自制測(cè)試工裝，采用Magtrol-14NM磁滯測(cè)功機(jī)，TM301-308扭矩傳感器，WT1600功率儀進(jìn)行實(shí)際測(cè)試,如圖16所示。

圖16 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

測(cè)試結(jié)果如圖17、圖18所示。

從圖18可以看出，DJ-S-SR電機(jī)在性能上較V-SR電機(jī)高出約2%，不僅將S-SR電機(jī)相比常規(guī)結(jié)構(gòu)的SRM優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)大，而且通過繞組的充分利用解決了S-SR電機(jī)用銅量過大，端部浪費(fèi)嚴(yán)重的問題。

圖17 不同電機(jī)銅耗占比隨轉(zhuǎn)矩輸出變化圖18 不同電機(jī)效率隨轉(zhuǎn)矩輸出變化

5 結(jié) 語

1)本文設(shè)計(jì)的DJ-S-SR電機(jī)，采用內(nèi)外轉(zhuǎn)子單端同軸輸出結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)可靠、通用性好、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)；

2)通過磁路結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析，得出分立式磁勢(shì)結(jié)構(gòu)具有優(yōu)勢(shì)的結(jié)論，為新型SRM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)；

3)仿真并總結(jié)定子外徑及內(nèi)徑比值，定子極弧，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子相錯(cuò)角對(duì)性能影響程度的曲線及最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)；

4)3.5 kW同體積的V-SR電機(jī)和DJ-S-SR電機(jī)試制及實(shí)測(cè)對(duì)比，效率提升2%，驗(yàn)證了該電機(jī)的可行性和優(yōu)越性。

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Research and Design of the Double Segment Rotor with Winding Jumper Switched Reluctance Motor

HUYu-sheng1,2，CHENBin1,2,TONGTong2

(1.Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai，Zhuhai 519000,China;2.Green Refrigeration Equipment Engineering Research Center of Zhuhai Gree Co. Ltd., Zhuhai 519000,China)

In order to solve the problem that the efficiency of S-SR motor is not ideal, DJ-S-SR motor was studied in this paper. This motor's structure with internal and external rotor, single-ended and coaxial output and double sleeve bearing, can avoid the double rotor motor's bearing life shorten caused by using the cantilever structure. The ministry of the stator yoke's saturation caused by the conjugation of internal and external magnetic circuit was avoided by adopting the winding jumper. How the ratio of stator's outer diameter and inner diameter, the stator and rotor pole arc coefficient, the stagger angle of inner and outer rotor impact on the motor performance were researched. Finally, 3.5 kW V-SR motor and DJ-S-SR motor under the same volume condition were designed and confirmed the DJ-S-SR motor's advantage in efficiency after comparing the efficiency of practical test.

switched reluctance motor; double segment rotor; winding jumper

2016-03-01

TM352

A

1004-7018(2016)07-0008-05