基于RMxprt磁路法的雙定子永磁無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)方法

劉沛麟, 趙朝會(huì)

(上海電機(jī)學(xué)院,上海 201306)

基于RMxprt磁路法的雙定子永磁無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)方法

劉沛麟, 趙朝會(huì)

(上海電機(jī)學(xué)院,上海 201306)

雙定子永磁無刷直流電機(jī)(DS-PMBL)因其高機(jī)械集成度、高轉(zhuǎn)矩密度而具有較高的應(yīng)用價(jià)值。但其特殊的結(jié)構(gòu)，難以用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)程序進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)。將基于Ansys軟件中的RMxprt模塊并結(jié)合傳統(tǒng)磁路計(jì)算法，借助定子裂比優(yōu)化法探討將DS-PMBL拆分成兩個(gè)單定子永磁無刷直流電機(jī)(內(nèi)電機(jī)和外電機(jī))，分別展開設(shè)計(jì)，最終將兩個(gè)設(shè)計(jì)方案合理拼接成DS-PMBL模型，并通過相關(guān)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證模型的性能。

雙定子永磁無刷直流電機(jī)； RMxprt磁路法；內(nèi)電機(jī)；外電機(jī)

0 引 言

雙定子永磁無刷直流電機(jī)(Dual-Stator Permanent Magnet Brushless,DS-PMBL)對(duì)比傳統(tǒng)單定子永磁無刷直流電機(jī)，空間利用更為充分、機(jī)械集成度更高、控制策略更為靈活，同時(shí)由于轉(zhuǎn)子采用的杯環(huán)結(jié)構(gòu)，所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較后者更小，電機(jī)整體轉(zhuǎn)矩密度更大，控制響應(yīng)更為迅速[1]。

文獻(xiàn)[2]基于傳統(tǒng)單定子永磁電機(jī)在尺寸固定情況下提升設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩存在一定難度，提出一種在原外定子永磁電機(jī)內(nèi)部增加一個(gè)內(nèi)定子的雙定子永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)，目的在于從理論計(jì)算角度能大幅度提升永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，并設(shè)計(jì)出樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法可行性。文獻(xiàn)[3-4]基于單層氣隙永磁電機(jī)裂比優(yōu)化設(shè)計(jì)思路[5-6]，首先定義DS-PMBL的裂比為內(nèi)定子外徑與外定子外徑之比，通過公式推導(dǎo)了內(nèi)、外電機(jī)功率與裂比的關(guān)系式，進(jìn)而求出能使DS-PMBL達(dá)到最大輸出功率的最優(yōu)裂比，并最終通過樣機(jī)驗(yàn)證結(jié)論。文獻(xiàn)[7-9]研究雙定子永磁電機(jī)串聯(lián)磁路的若干問題，首先通過傳統(tǒng)磁路法推導(dǎo)出串聯(lián)磁路的雙定子永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性公式，從公式中分析內(nèi)、外定子間的磁干涉性；而后從公式中提煉了串聯(lián)磁路雙定子永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩分量，分析內(nèi)、外定子錯(cuò)位可在不影響反電動(dòng)勢(shì)基波幅值前提下削減繞組反電動(dòng)勢(shì)中諧波量，并通過樣機(jī)證明結(jié)論；最后通過公式推導(dǎo)證明了在三相單層永磁體串聯(lián)磁路的雙定子永磁電機(jī)中繞組的自感和互感均不是常數(shù)，除了恒定分量外，還存在一個(gè)二次諧波分量，而磁耦合不僅發(fā)生在各相繞組間還發(fā)生在內(nèi)、外定子繞組間。文獻(xiàn)[10]借助有限元軟件討論繞組反電動(dòng)勢(shì)諧波最優(yōu)削弱下內(nèi)、外定子的最佳錯(cuò)開角。文獻(xiàn)[11]通過內(nèi)、外電機(jī)的繞組自感和互感情況討論雙定子電機(jī)應(yīng)用串聯(lián)磁路和并聯(lián)磁路的優(yōu)劣勢(shì)，最終設(shè)計(jì)一種串聯(lián)磁路的20槽22極的五相雙定子永磁電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁體雙層排布的串聯(lián)磁路(繞組高自感、低互感、氣隙磁密波形幾乎不受電樞反應(yīng)影響)。文獻(xiàn)[12-13]借助3D有限元軟件設(shè)計(jì)一種錐形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的雙定子永磁電機(jī)，由于錐形轉(zhuǎn)子增大了氣隙的計(jì)算長度，從而減小了定轉(zhuǎn)子的耦合面積；同時(shí)研究得到了通過控制內(nèi)電機(jī)定子電流實(shí)現(xiàn)弱磁調(diào)速的方案。文獻(xiàn)[14]研究一種軸向充磁的雙定子永磁電機(jī)，其內(nèi)、外定子繞組與電源總線角型連接形成一種六相永磁電機(jī)，理論、仿真和試驗(yàn)均證明該設(shè)計(jì)對(duì)比傳統(tǒng)六相永磁電機(jī)在不犧牲容磁能力和轉(zhuǎn)矩輸出情況下，可大幅降低電機(jī)渦流損耗。文獻(xiàn)[15]運(yùn)用傳統(tǒng)永磁電機(jī)矢量控制技術(shù)結(jié)合對(duì)雙定子電機(jī)模型電樞磁鏈的解耦分析，提供了一種能應(yīng)對(duì)一相短路或斷路的容錯(cuò)控制方式，并通過試驗(yàn)證明可行性。文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)子螺旋運(yùn)動(dòng)式的雙定子永磁電機(jī)，由內(nèi)定子繞組磁鏈提供旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，外定子繞組磁鏈提供直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，借助有限元軟件，改變內(nèi)、外定子電樞磁鏈，提高電機(jī)的運(yùn)行性能，并最終通過試驗(yàn)證明了樣機(jī)能在最高轉(zhuǎn)速1 000 r/min下至少移動(dòng)75 m，且電機(jī)起動(dòng)反應(yīng)迅速，各項(xiàng)指標(biāo)波形表現(xiàn)穩(wěn)定。

本文借助雙定子裂比法，結(jié)合傳統(tǒng)磁路法和RMxprt模塊，將所要設(shè)計(jì)的DS-PMBL模型概念性地區(qū)分成內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子電機(jī)分別進(jìn)行磁路計(jì)算，而后將兩個(gè)設(shè)計(jì)合理的模型拼接成DS-PMBL，并通過有限元模型對(duì)拼接后的DS-PMBL進(jìn)行電磁性能分析。

1 DS-PMBL的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的DS-PMBL考慮應(yīng)用在一種微型車的驅(qū)動(dòng)輪上，如圖1所示。整車驅(qū)動(dòng)屬于一種直驅(qū)方式，因此電機(jī)整體的外徑尺寸結(jié)合實(shí)際應(yīng)不超過200 mm；參考這類微型車在不考慮電池節(jié)能管理的情況下最高時(shí)速可以達(dá)到50 km/h，按照200～250 mm的輪徑計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過1 300 r/min；結(jié)合這類電動(dòng)微型車的功率和電源要求，最后設(shè)計(jì)的DS-PMBL輸出額定功率控制在450～550 W，電源電壓確定為48 V。DS-PMBL徑向截面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。虛線標(biāo)明了DS-PMBL分離設(shè)計(jì)的區(qū)域即內(nèi)電機(jī)和外電機(jī)部分。

圖1 電動(dòng)微型車3D模擬圖

圖2 DS-PMBL徑向截面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)文獻(xiàn)[5]研究定義的內(nèi)、外氣隙功率比與DS-PMBL裂比之間的關(guān)系有

式中:kg——功率分割比；

PI、PO——內(nèi)、外氣隙功率；

AsI、AsO——內(nèi)、外定子槽面積；

DgI、DgO——內(nèi)、外定子外徑。

結(jié)合實(shí)際需求和理論分析推導(dǎo)，表1給出了DS-PMBL設(shè)計(jì)要求范圍。

表1 DS-PMBL設(shè)計(jì)要求

2 DS-PMBL磁路設(shè)計(jì)

2.1內(nèi)、外電機(jī)主要尺寸確定方法

永磁電機(jī)的主要尺寸包含了電樞軸向長度和電樞徑向直徑，兩者設(shè)計(jì)的合理性對(duì)電機(jī)性能有重要影響。兩個(gè)單定子電機(jī)的尺寸設(shè)計(jì)要求需滿足式(2):

式中:D——電樞徑向直徑；

lef——電樞軸向長度；

P*——輸入功率；

KNM——?dú)庀洞艌霾ㄐ蜗禂?shù)；

Kdp——電樞繞組系數(shù)；

A——線負(fù)荷；

Bδ——?dú)庀洞琶埽?/p>

n——轉(zhuǎn)速。

根據(jù)式(2)，取內(nèi)、外電機(jī)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 內(nèi)、外電機(jī)關(guān)于式(2)相關(guān)參數(shù)

2.2電機(jī)繞組排布

內(nèi)、外電機(jī)定子繞組均選取雙層疊繞組排布。內(nèi)、外電機(jī)繞組排布如圖3、圖4所示。內(nèi)、外電機(jī)定子一相繞組繞線方式如圖5所示。

圖3 內(nèi)電機(jī)定子繞組繞線方式

圖4 外電機(jī)定子繞組繞線方式

圖5 DS-PMBL內(nèi)、外定子一相繞組繞線方式圖

2.3定子尺寸確定

如圖6所示的1/4對(duì)稱模型，其單極的磁力線約被平均分配在6個(gè)齒上。6個(gè)齒中的磁力線又分成了兩路朝兩個(gè)方向的軛部穿過，理論上定子軛部厚度應(yīng)該為單個(gè)齒寬的3倍，實(shí)際應(yīng)用中定子軛部厚度應(yīng)稍大于3倍齒寬，即有式(3):

圖6 某4極36槽外轉(zhuǎn)子電機(jī)磁力線示意圖

通過式(4)、式(5)獲得所設(shè)計(jì)電機(jī)的定子內(nèi)徑Din和定子外徑Dout，計(jì)算所得參數(shù)如表3所示。

表3 內(nèi)、外電機(jī)定子相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)

式中，Hs0、Hs1、Hs2、Bs2對(duì)應(yīng)于圖7梨形槽關(guān)鍵尺寸參數(shù)。

圖7 基于RMxprt磁路法

2.4控制電路選擇

本文設(shè)計(jì)的DS-PMBL控制電路應(yīng)基于現(xiàn)有技術(shù)較為成熟的三相六步式控制方式展開設(shè)計(jì)。本文初步擬定采用兩個(gè)各自獨(dú)立的控制電路，因此所設(shè)計(jì)DS-PMBL的控制電路需要達(dá)到以下幾點(diǎn)。

(1) 控制電路僅設(shè)置一套直流電壓為48 V的電源，同時(shí)電源側(cè)通過兩條互不影響的直流母線分別給內(nèi)、外電樞繞組供電。

(2) 默認(rèn)在兩條直流母線進(jìn)線端設(shè)置獨(dú)立控制器來控制電流輸入輸出，同時(shí)控制器能保證各自電路上的電流時(shí)間相位同步。

(3) 默認(rèn)直流電源最大輸出功率遠(yuǎn)大于內(nèi)、外電機(jī)額定功率之和。

(4) 內(nèi)、外電樞繞組控制電路均采用三相六步式。

本文選取DS-PMBL控制電路在Simplor中搭建，輸入控制電路如圖8所示。由于采用兩條互相獨(dú)立直流母線控制內(nèi)、外定子繞組電流，因此圖8中電路設(shè)置2個(gè)48 V的電壓源,保證了內(nèi)、外電路都在48 V直流電壓下工作。由于兩套電路的分離設(shè)計(jì)模擬出了直流母線供電互不影響的情況，并且仿真模型的運(yùn)行完全不計(jì)器件間差異，保證了各電樞繞組電流同相位，所以此設(shè)計(jì)符合本文設(shè)計(jì)初衷。

圖8 DS-PMBL理想控制電路模型

2.5RMxprt磁路計(jì)算法

RMxprt是Ansys的一個(gè)仿真模塊，其仿真原理主要是基于等效磁路法，具體表現(xiàn)為將電機(jī)內(nèi)部非線性化、分布不均的磁場耦合問題劃分為分段線性、分布均勻的磁路疊加問題。通過這個(gè)模塊往往能較快速、簡單地得出電磁參數(shù)，但所得出結(jié)果的計(jì)算精度不高，因此通常被用以得到電機(jī)設(shè)計(jì)的初始方案，并可進(jìn)行一些趨勢(shì)化的分析，但設(shè)計(jì)出的模型往往達(dá)不到工程應(yīng)用要求。

圖9給出了內(nèi)、外電機(jī)RMxprt模型圖。表4給出了通過RMxprt仿真優(yōu)化之后內(nèi)、外電機(jī)重要參數(shù)的清單。

圖9 內(nèi)、外電機(jī)RMxprt模型圖

3 有限元仿真

利用Maxwell 2d所具備較準(zhǔn)確的仿真能力，對(duì)DS-PMBL的靜態(tài)氣隙磁密和起動(dòng)運(yùn)行過程進(jìn)行仿真分析。

表4 RMxprt仿真優(yōu)化后內(nèi)、外電機(jī)重要參數(shù)清單

3.1DS-PMBL有限元模型

本文設(shè)計(jì)思路為內(nèi)電機(jī)和外電機(jī)模型定子互相不接觸，考慮到目標(biāo)電機(jī)的應(yīng)用范圍對(duì)模型額定功率和尺寸大小的約束作用，進(jìn)而拼接過程涉及到兩轉(zhuǎn)子軛部重疊，故可得DS-PMBL有限元模型如圖10所示，主要尺寸參數(shù)如表5所示。

參數(shù)名稱參數(shù)值外定子外徑/mm185外定子內(nèi)徑/mm125.2外氣隙徑向長度/mm0.4轉(zhuǎn)子外徑(含磁鋼)/mm124.4轉(zhuǎn)子內(nèi)徑(含磁鋼)/mm84內(nèi)氣隙徑向長度/mm0.5內(nèi)定子外徑/mm83內(nèi)定子內(nèi)徑/mm35

3.2靜態(tài)氣隙磁密驗(yàn)證

通過對(duì)DS-PMBL的靜態(tài)仿真試驗(yàn)，可獲得如圖11所示轉(zhuǎn)子兩側(cè)永磁體同方向充磁1/4模型。

圖11 轉(zhuǎn)子內(nèi)外兩側(cè)磁鋼同方向充磁磁密矢量圖

圖12 DS-PMBL內(nèi)氣隙與內(nèi)電機(jī)氣隙磁密曲線對(duì)比

圖13 DS-PMBL外氣隙與外電機(jī)氣隙磁密曲線對(duì)比

圖11、圖12分別給出DS-PMBL在靜態(tài)場仿真條件下內(nèi)、外氣隙磁密波形與原內(nèi)電機(jī)和外電機(jī)氣隙磁密波形對(duì)比。由圖12、圖13可看出，拼接后的DS-PMBL內(nèi)、外氣隙磁密波形表現(xiàn)均優(yōu)于原單定子模型(DS-PMBL靜態(tài)內(nèi)、外氣隙平均磁密值分別為0.719 T和0.726 T)，且符合永磁無刷直流電機(jī)所需靜態(tài)氣隙磁密波形的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3起動(dòng)運(yùn)行驗(yàn)證

通過對(duì)DS-PMBL起動(dòng)運(yùn)行的仿真試驗(yàn)，可獲得電機(jī)額定性能參數(shù)如表6所示。表6中直流母線I、II分別單獨(dú)控制內(nèi)、外定子繞組。圖14、圖15為DS-PMBL從起動(dòng)運(yùn)行到穩(wěn)定過程中轉(zhuǎn)速-時(shí)間、轉(zhuǎn)矩-時(shí)間波形。通過觀察仿真試驗(yàn)參數(shù)和關(guān)鍵波形，得知電機(jī)運(yùn)行效果符合本文設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

本文對(duì)DS-PMBL的研究開展過程和所得結(jié)果如下：采用理論成熟的定子裂比法在雙定子電機(jī)中的應(yīng)用，針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的應(yīng)用場合，在結(jié)構(gòu)尺寸、功率范圍確定的情況下對(duì)電機(jī)劃分出的兩部分展開功率估算。選擇估算范圍內(nèi)的一組功率分割數(shù)值，借助RMxprt模塊展開磁路法設(shè)計(jì)，得到內(nèi)、外電機(jī)的模型尺寸和性能參數(shù)。將兩個(gè)模型在有限元軟件中通過共用轉(zhuǎn)子軛部拼接成DS-PMBL。仿真試驗(yàn)驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的DS-PMBL具有較好的電磁性能,且同時(shí)具備良好的起動(dòng)能力和運(yùn)行穩(wěn)定性。

表6 動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn)下DS-PMBL額定性能參數(shù)

圖14 試驗(yàn)條件下DS-PMBL轉(zhuǎn)速關(guān)于時(shí)間波形

圖15 試驗(yàn)條件下DS-PMBL轉(zhuǎn)矩關(guān)于時(shí)間波形

[1] 王雅玲,徐衍亮.基于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的雙定子永磁無刷直流電機(jī)繞組換接運(yùn)行分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(1): 98-103.

[2] 柴鳳,崔淑梅,宋立偉,等.雙定子永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法[J].微電機(jī),1999,32(6): 12-14.

[3] 王玉彬,程明,花為,等.雙定子永磁無刷電機(jī)裂比的分析與優(yōu)化[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(30): 62-67.

[4] WANG Y B, CHENG M, FAN Y, et al. Optimal design of a double-stator permanent magnet brushless machine with series magnetic circuit[C]∥ Electromagnetic Field Computation (CEFC), 2010 14th Biennial IEEE Conference,2010: 1-1.

[5] 沈建新,陳永校.永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)定子裂比的分析與優(yōu)化[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),1998,2(2): 80-83.

[6] PANG Y, ZHU Z Q, HOWE D. Analytical determination of optimal split ratio for permanent magnet brushless motors[J].IEEE Electric Power Applications,2006,153(1): 7-13.

[7] 程樹康,寇寶泉,楊世彥,等.串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)雙定子混合式直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,24(7): 127-132.

[8] 寇寶泉,張千帆,程樹康.串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)雙定子混合式直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩分析及抑制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(8): 145-150.

[9] 寇寶泉,謝大綱,程樹康.串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)雙定子混合式直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電感特性[J].微特電機(jī),2007,40(4): 4-7.

[10] 劉細(xì)平,林鶴云.雙定子永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,37(4): 618-622.

[11] 李景琪.五相雙定子永磁同步電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析[D].北京:北京理工大學(xué),2015.

[12] 柴鳳,歐景,裴宇龍.雙定子錐形永磁同步電機(jī)的弱磁研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(7): 12-18.

[13] 歐景.雙定子錐形永磁同步電機(jī)的弱磁研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[14] LU Y, LI J, LU H X, et al. Six-phase double-stator inner-rotor axial flux PM machines with novel detached winding[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2017,53(3): 1931-1941.

[15] WANG Z, WANG Y B, CHEN J, et al. Fault tolerant control of NPC three-level inverters fed double-stator-winding PMSM drives based on vector space decomposition[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2017(99): 1.

[16] XU L, LIN M Y, ZHU X Y, et al. Orthogonal magnetic field analysisof a double stator linear-rotary permanent magnet motor with Orthogonally arrayed permanent magnets[J].IEEE Transactions on Magnetic,2016,52(7): 1-4.

DesignofDual-StatorPermanentMagnetBrushlessBasedonRMxprt

LIUPeilin,ZHAOChaohui

(Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

Dual-Stator Permanent Magnet Brushless (DS-PMBL) has great application value by itshigh mechanical integration and high torque density. However, DS-PMBL can not be designed by current program because of its special structure. Probed into splicing the whole DS-PMBL design as two parts design—inside motoramp;outside motor based on the RMxprt with traditional magnetic circuit method by split ratio of stator. Finally, the model’s performance would be verified by curve of magnetostatic air-gap flux density and dynamic simulation.

dual-statorpermanentmagnetbrushless(DS-PMBL);RMxprtmagneticcircuitmethod;insidemotor;outsidemotor

劉沛麟(1992—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橛来艧o刷電機(jī)電磁設(shè)計(jì)。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)11- 0061- 06

2017 -07 -18