五相容錯(cuò)圓筒永磁直線電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

陸 震,劉平原,周華偉,劉國(guó)海

(1.江蘇大學(xué),鎮(zhèn)江212013;2.蘇州UL美華認(rèn)證有限公司,蘇州215000)

0 引 言

隨著人們對(duì)環(huán)境問題關(guān)注度的日益提高,促使電動(dòng)汽車的發(fā)展愈來愈快[1-3]。同時(shí),汽車也逐漸向更小化,更高的重心和更少的尾氣排放量的方向發(fā)展,對(duì)懸架系統(tǒng)性能的要求也隨之增加[4]。傳統(tǒng)的被動(dòng)式懸架系統(tǒng)在輪胎與路面附著穩(wěn)定性、承重能力以及乘客的乘坐舒適性方面存在相互矛盾和制約的缺陷,而相比于傳統(tǒng)的被動(dòng)式懸架系統(tǒng),主動(dòng)式懸架系統(tǒng)可以及時(shí)改變自身的動(dòng)態(tài)性能以適應(yīng)不同的道路狀況,從而在不損失行駛性能的情況下提供更優(yōu)越的響應(yīng)和處理能力,提高側(cè)傾穩(wěn)定性和行駛安全性[5-6]。所以,作為主動(dòng)式懸架系統(tǒng)的核心部件,直線電機(jī)也逐漸成為研究熱點(diǎn)。

在文獻(xiàn)[7-9]中,提出了許多可應(yīng)用在懸架系統(tǒng)中的直線電機(jī)模型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中,相比于平板直線電機(jī),圓筒永磁直線電機(jī)以其較高的永磁體利用率和無邊端繞組影響而受到越來越多的關(guān)注。另外,表貼式永磁電機(jī)和內(nèi)嵌式永磁電機(jī)相比有著諸多優(yōu)點(diǎn),比如反電動(dòng)勢(shì)波形和氣隙磁密波形更加正弦、功率密度更大等[11]。所以,圓筒表貼式永磁直線電機(jī)更適合于性能要求更高的主動(dòng)式汽車懸架系統(tǒng)中。

懸架系統(tǒng)中的任何一次故障都可能影響駕乘的舒適性、導(dǎo)致嚴(yán)重的事故甚至影響生命財(cái)產(chǎn)安全,所以,電機(jī)高可靠性對(duì)于直線電磁懸架系統(tǒng)尤為重要[12]。盡管許多圓筒表貼式永磁直線電機(jī)已經(jīng)提出,但是還沒有提出具有較好容錯(cuò)能力的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)在物理上和磁路上的隔離。所以,采用添加容錯(cuò)齒的新型設(shè)計(jì)理念來提高圓筒直線電機(jī)的容錯(cuò)能力能很好地解決該問題。

本文提出一種新型的五相容錯(cuò)式圓筒表貼式永磁直線電機(jī),該電機(jī)不僅可以提供高推力,更低的推力脈動(dòng),同時(shí)擁有較好的容錯(cuò)性能,以保證電機(jī)的運(yùn)行可靠性。首先,分析了該電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),包括電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行原理。其次,對(duì)電機(jī)的主要電磁性能進(jìn)行有限元仿真分析,從而驗(yàn)證了該電機(jī)具有較好的電磁特性。

1 電機(jī)拓?fù)淠Ｐ?/h2>

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為本文提出的五相容錯(cuò)圓筒表貼式永磁直線(以下簡(jiǎn)稱FTT-SPM)電機(jī)的3D結(jié)構(gòu)模型圖?？梢钥闯?電機(jī)永磁體采用表貼式,并置于電機(jī)次級(jí)動(dòng)子上,永磁體和次級(jí)動(dòng)子均為環(huán)形形狀并固定在非導(dǎo)磁支撐管上。電機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu),初級(jí)定子槽數(shù)和次級(jí)動(dòng)子永磁體極對(duì)數(shù)分別為20和9。電機(jī)采用單層集中繞組,即每個(gè)槽內(nèi)只放置來自某一相的一套電樞繞組,且每相線圈由兩套繞組組成。電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化模型如圖2所示,優(yōu)化后的參數(shù)如表1所示。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 電機(jī)主要參數(shù)優(yōu)化模型

表1 樣機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

FTT-SPM電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是容錯(cuò)齒和單層集中分?jǐn)?shù)槽繞組的引入,將容錯(cuò)齒和電樞齒交替排布使得初級(jí)定子相鄰相繞組被完全隔離,即使當(dāng)電機(jī)某一相發(fā)生故障時(shí),剩余其他無故障相可以繼續(xù)正常工作,從而提高電機(jī)的容錯(cuò)性能。

定子齒包括兩部分:電樞齒和容錯(cuò)齒。電樞齒上纏有繞組,而容錯(cuò)齒上無繞組,起到阻隔磁路的作用,如圖3(b)和圖7(b)所示。圖1中電樞齒和容錯(cuò)齒一樣大,經(jīng)過優(yōu)化得到,當(dāng)電樞齒和容錯(cuò)齒一樣大時(shí),反電勢(shì)正弦度最好且幅值最大。所以,雖然電樞齒和容錯(cuò)齒看似沒有區(qū)別,但其實(shí)兩者作用不同。

1.2 繞組分布

相鄰槽之間相差的電角度:

式中:ps為電樞繞組極對(duì)數(shù);z為定子槽數(shù)。通過式(1)可求出電機(jī)的相鄰槽相差的電角度為162°。另外,繞組極距y可以表示成:

通過式(1)和式(2)可求得FTT-SPM電機(jī)的繞組極距為1,即電機(jī)采用集中繞組連接方式。圖3為電機(jī)分相示意圖,其中圖3(a)為電機(jī)槽電勢(shì)星形圖,圖3(b)為繞組分相連接圖。

圖3 電機(jī)分相示意圖

1.3 運(yùn)行原理

根據(jù)磁阻最小原理,永磁體產(chǎn)生的磁力線總是經(jīng)過磁阻最小的磁通路徑。圖4為電機(jī)動(dòng)子在4個(gè)主要位置時(shí)的磁力線分布圖。這4個(gè)位置的磁力線走勢(shì)說明了FTT-SPM電機(jī)的運(yùn)行原理。

圖4 電機(jī)工作原理示意圖

隨著動(dòng)子向左移動(dòng),由圖4表示的動(dòng)子在4個(gè)位置的磁力線分布圖可以看出磁力線在A相繞組中的交鏈路徑。首先,在位置A和位置C時(shí),磁力線從動(dòng)子永磁體內(nèi)穿出,然后進(jìn)入電樞齒中,最終又回到永磁體內(nèi)部,沒有在線圈繞組中形成交鏈,此時(shí)A相的總磁鏈為0。當(dāng)動(dòng)子移動(dòng)到位置B時(shí),磁力線從永磁體中穿出進(jìn)入初級(jí)定子電樞齒中,與線圈繞組進(jìn)行充分交鏈,此時(shí)A相磁鏈達(dá)到最大值。相反,當(dāng)電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)到位置D時(shí),A相磁鏈達(dá)到反向最大值。所以,隨著電機(jī)動(dòng)子不斷移動(dòng),線圈繞組中的磁鏈將周期性的變化。同時(shí)由于上述運(yùn)行原理,將實(shí)現(xiàn)電機(jī)相與相之間的磁路解耦,從而提高電機(jī)的容錯(cuò)性能。

2 有限元分析

為了能夠準(zhǔn)確分析電機(jī)性能,本文對(duì)FTT-SPM電機(jī)進(jìn)行了有限元分析。主要包括電機(jī)空載永磁磁鏈和空載反電動(dòng)勢(shì)、自感和互感、容錯(cuò)性能、定位力和推力等電磁特性。

2.1 空載磁鏈和反電動(dòng)勢(shì)

電機(jī)的空載永磁磁鏈波形如圖5所示?？梢?FTT-SPM電機(jī)的五相永磁磁鏈波形對(duì)稱平衡,電機(jī)幾乎不受邊端效應(yīng)的影響,從而保證了電機(jī)的其他性能。

圖5 磁鏈波形圖

式中:ψ代表電機(jī)的永磁磁鏈;v為電機(jī)動(dòng)子的額定機(jī)械速度;x為動(dòng)子的位移。圖6為電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)波形圖。可以看出,電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)波形不僅對(duì)稱且正弦度高。

電機(jī)某一相的空載反電動(dòng)勢(shì)E可以表示:

圖6 空載反電動(dòng)勢(shì)波形圖

2.2 電感和容錯(cuò)性能

圖7 電機(jī)磁力線分布圖

圖8 電感波形圖

圖7為電機(jī)永磁體和某一相線圈繞組單獨(dú)作用時(shí)的磁力線分布圖。從圖7(b)可以看出,磁力線只從相鄰的容錯(cuò)齒中穿過,而未通過相鄰的電樞齒。容錯(cuò)齒的存在使得電機(jī)相與相之間實(shí)現(xiàn)了解耦,相鄰兩相的磁場(chǎng)被相互獨(dú)立,提高了電機(jī)的容錯(cuò)性能,從而使得電機(jī)可以應(yīng)用于可靠性要求較高的懸架系統(tǒng)中。

互感是表征電機(jī)相與相之間磁耦合程度的另一性能指標(biāo)。電機(jī)互感足夠小時(shí),當(dāng)電機(jī)的某一相發(fā)生故障,其他相不受影響而正常工作,從而保證電機(jī)的容錯(cuò)性能。圖8為電機(jī)的自感互感波形。經(jīng)計(jì)算可得電機(jī)互感自感比為1.4%?？梢?電機(jī)各相在物理上、電場(chǎng)上、磁場(chǎng)上徹底地分離與獨(dú)立,因此,FTT-SPM電機(jī)具有較好的容錯(cuò)性能。

2.3 定位力和推力

定位力是描述電機(jī)空載性能的重要參數(shù)。定位力越小,電機(jī)的效率越高,電機(jī)的性能越好。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了很多減小定位力的方法。其中,對(duì)電機(jī)定子長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化以減小定位力是一種簡(jiǎn)單有效的方法。本文在保證電機(jī)極槽配比的情況下通過對(duì)電機(jī)邊端齒的寬度進(jìn)行優(yōu)化,以改變電機(jī)定子的長(zhǎng)度,從而減小定位力,具體優(yōu)化模型如圖9所示。圖10為電機(jī)定位力在優(yōu)化前和優(yōu)化后的對(duì)比。電機(jī)定位力從80 N減小到30 N,可見,通過優(yōu)化定子長(zhǎng)度可以大幅減小定位力。

圖9 定位力優(yōu)化參數(shù)模型圖

圖10 優(yōu)化前后定位力波形對(duì)比圖

圖11為電機(jī)額定推力的波形圖。可以看出,電機(jī)具有較高的推力能力和較小的推力脈動(dòng)。

圖11 推力波形圖

3 結(jié) 語

本文提出了一種用于主動(dòng)懸架系統(tǒng)的新型五相容錯(cuò)圓筒表貼式永磁直線電機(jī)。該電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是引入容錯(cuò)齒和單層集中分?jǐn)?shù)槽繞組使電機(jī)相與相之間實(shí)現(xiàn)隔離,大大提高電機(jī)的容錯(cuò)性能。通過有限元分析軟件對(duì)電機(jī)的主要電磁性能進(jìn)行定性和定量分析,仿真分析結(jié)果表明本文提出的電機(jī)具有較高的反電動(dòng)勢(shì)正弦度、高推力密度以及較好的容錯(cuò)性能,同時(shí)運(yùn)用簡(jiǎn)單有效的方法降低電機(jī)的定位力。

參考文獻(xiàn)

[1] CHEN Q,LIU G,ZHAO W,et al.Design and comparison of two fault-tolerant interior-permanent-magnet motors[J].IEEE Transaction on Industry Electronics,2014,61(12):6615-6623.

[2] 鄧秋玲,肖鋒.盤式永磁同步電機(jī)在混合動(dòng)力汽車中的應(yīng)用[J].微特電機(jī),2010,38(1):21-23.

[3] PATEL V I,WANG J,WANG W,et al.Six-phase fractional-slotper-pole-per-phase permanent-magnet machines with low space harmonics for electric vehicle application[J].IEEE Transaction on Industry Applications,2014,50(4):2554-2563.

[4] GYSEN B L J,JANSSEN J L G,PAULIDES J J H,et al.Design aspects of an active electromagnetic suspension system for automotive applications[J].IEEE Transaction on Industry Applications,2009,45(5):1589-1597.

[5] WANG J,WANG W,ATALLAH K.A linear permanent-magnet motor for active vehicle suspension[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2011,60(1):55-63.

[6] HAO L,DU H Y I,LIN H,et al.Design and analysis of PM fractional slot machine considering the fault operation[J].IEEE Transaction on Industry Applications,2014,50(1):234-243.

[7] 曹瑞武,程明,花為,等.磁路互補(bǔ)型模塊化磁通切換永磁直線電機(jī)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,31(6):58-65.

[8] 石玉君,吉敬華,趙文祥,等.一種新的容錯(cuò)型圓筒式永磁電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī),2013,41(5):25-35.

[9] ZHAO W,ZHENG J,WANG J,et al.Design and analysis of a linear permanent-magnet vernier machine with improved force density[J].IEEE Transaction on Industry Electronics,2016,63(4):2072-2082.

[10] KOU B,LI L,ZHANG C.Analysis and optimization of thrust characteristics of tubular linear electromagnetic launcher for space-use[J].IEEE Transaction on Magnentics,2009,45(1):250-255.

[11] WANG K,ZHU Z Q,OMBACH G,et al.Electromagnetic performance of an 18-slot/10-pole fractional-slot surface-mounted permanent-magnet machine[J].IEEE Transaction on Industry Applications,2014,50(6):3685-3696.

[12] 吉敬華,孫玉坤,朱紀(jì)洪,等.新型定子永磁式容錯(cuò)電機(jī)的工作原理和性能分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(21):96-101.