基于雙磁鋼轉(zhuǎn)子的大力矩飛輪用電機(jī)設(shè)計(jì)*

王 勇,王 超,張?jiān)骗h(huán),王 森,聶 周

(1.上海航天控制技術(shù)研究所·上?！?01109;2.上海慣性工程技術(shù)研究中心·上海·201109)

0 引 言

目前,衛(wèi)星上使用的飛輪電機(jī)大多數(shù)采用直流無(wú)刷電機(jī),其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性機(jī)械特性、寬調(diào)速范圍等特點(diǎn)。另外采用空心杯定子,消除了鐵芯帶來(lái)的齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩。伴隨著衛(wèi)星姿態(tài)的大角度機(jī)動(dòng)和快速敏捷要求,衛(wèi)星姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的飛輪要求具有大的輸出力矩,一般不低于0.5Nm。為實(shí)現(xiàn)大力矩的輸出,僅依靠增加電機(jī)的外形尺寸或增大線圈匝數(shù)來(lái)增大輸出力矩是不現(xiàn)實(shí)的,這樣會(huì)帶來(lái)電機(jī)外形尺寸過(guò)大,從而導(dǎo)致整個(gè)飛輪結(jié)構(gòu)尺寸偏大、結(jié)構(gòu)布局不合理、質(zhì)量偏大;另外,如果電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑較大,容易與其外圍的輪體產(chǎn)生干涉,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難;若增大氣隙,可以避免結(jié)構(gòu)干涉問(wèn)題,但會(huì)導(dǎo)致氣隙磁密降低,從而減小電磁力矩的輸出。因此,面對(duì)飛輪大力矩輸出的要求,采用傳統(tǒng)的直流無(wú)刷電機(jī)已有局限性。

1 工作原理

在電機(jī)尺寸限定的條件下,單純?cè)黾泳€圈匝數(shù)來(lái)提高輸出力矩,在工藝上已不可操作,而通過(guò)內(nèi)部磁路結(jié)構(gòu)的變化,增大氣隙磁密則是一種增大輸出力矩的有效方式[1-2]。

本文提出了一種大力矩飛輪用雙磁鋼轉(zhuǎn)子電機(jī),其最大輸出力矩不小于1Nm。每對(duì)極磁路是由內(nèi)、外共4個(gè)永磁體串聯(lián)起來(lái)提供磁動(dòng)勢(shì)。永磁體產(chǎn)生的磁通路徑如圖1所示。圖1中,1為外轉(zhuǎn)子;2為外磁鋼;3為氣隙;4為內(nèi)磁鋼;5為內(nèi)轉(zhuǎn)子。磁力線由外磁鋼N極出發(fā),通過(guò)外層氣隙到達(dá)定子線圈,并進(jìn)入內(nèi)層氣隙正對(duì)的內(nèi)磁鋼S極。再由內(nèi)磁鋼N極出發(fā),經(jīng)內(nèi)轉(zhuǎn)子到達(dá)相鄰內(nèi)磁鋼S極,并經(jīng)內(nèi)磁鋼N極穿過(guò)內(nèi)層氣隙到達(dá)定子線圈,進(jìn)入外層氣隙正對(duì)的相鄰?fù)獯配揝極。再由相鄰?fù)獯配揘極,經(jīng)外轉(zhuǎn)子回到外磁鋼S極,并到達(dá)外磁鋼N極,磁力線由此形成了一個(gè)閉合回路。根據(jù)電磁力定律,由于定子線圈內(nèi)外層所受電磁力沿圓周方向一致,為內(nèi)、外兩電機(jī)力矩疊加的形式,所以可以增大輸出力矩。當(dāng)飛輪對(duì)永磁直流電機(jī)供電時(shí),定子兩相繞組切斷磁力線。根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩原理,將使轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生角動(dòng)量和輸出反作用力矩,將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能[3]。

圖1 磁路結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié)構(gòu)組成

雙磁鋼電機(jī)為分體式結(jié)構(gòu),包括轉(zhuǎn)子組件和定子組件。轉(zhuǎn)子組件由外轉(zhuǎn)子、外磁鋼、內(nèi)轉(zhuǎn)子、內(nèi)磁鋼和磁鋼壓塊組成,如圖2所示,轉(zhuǎn)子組件通過(guò)外轉(zhuǎn)子與飛輪軸承座同軸間隙配合,并采用螺釘聯(lián)接,可為飛輪提供一部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。定子組件由定子繞組、定子骨架和定子支架組成,如圖3所示,定子組件通過(guò)定子支架與飛輪同軸聯(lián)接。

圖2 轉(zhuǎn)子組件

圖3 定子組件

外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子均采用電工純鐵,具有良好的導(dǎo)磁性能;外磁鋼和內(nèi)磁鋼采用釤鈷永磁體,具有穩(wěn)定的溫度特性和較大的剩磁和矯頑力,其結(jié)構(gòu)為瓦片形結(jié)構(gòu)。外轉(zhuǎn)子端面設(shè)有減重槽,內(nèi)側(cè)設(shè)有定位槽。裝配時(shí),首先將外轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子同軸螺釘聯(lián)接。然后將外磁鋼通過(guò)磁拉力和粘結(jié)劑,均布固連在外轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)面上,磁鋼之間N、S間隔裝配,并用外壓塊鍥緊,保證牢固;同理,再通過(guò)專用工裝將內(nèi)磁鋼均布貼于內(nèi)轉(zhuǎn)子外環(huán)面上,磁鋼之間N、S間隔裝配,保證牢固。在同一徑向尺寸,外磁鋼2與內(nèi)磁鋼的極性相反,并保持同心安裝。最后,將整個(gè)轉(zhuǎn)子組件通過(guò)外轉(zhuǎn)子,與飛輪軸承座同軸螺釘聯(lián)接。

定子組件采用空心杯結(jié)構(gòu),由線圈粘結(jié)在定子骨架上,并通過(guò)高強(qiáng)度環(huán)氧樹(shù)脂灌澆注在定子座上。定子骨架采用非金屬材料,取代了傳統(tǒng)的鐵芯,消除了渦流損耗,提高了電氣效率。

3 主要技術(shù)研究

3.1 幾何尺寸確定

1)轉(zhuǎn)子尺寸的確定

電機(jī)轉(zhuǎn)子尺寸確定的基本原則如下[4]:

①尺寸方程是建立在電機(jī)轉(zhuǎn)子外表面所占有的總體積上;

②引入波形系數(shù)量化電機(jī)不同的電流波形和相反電勢(shì)波形的效應(yīng);

③引入電機(jī)的體積密度、質(zhì)量密度、系數(shù)和熱量面密度作為轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)方評(píng)估的依據(jù)。

依據(jù)以上原則,忽略定子漏電感和電阻后,電機(jī)的輸出功率方程可表示為[5]

式中:e(t)和EPK為電機(jī)相電勢(shì)及其峰值;i(t)和IPK為電機(jī)相電流及其峰值;η為電機(jī)效率;m為電機(jī)相數(shù);T為電功率周期;KP為電功率波形系數(shù),其定義為

式中:fe(t)=e(t)/EPK為相反電勢(shì)波形表達(dá)式;fi(t)=i(t)/IPK為相電流波形表達(dá)式。

電機(jī)的相反電勢(shì)為

式中:ψg為每相繞組的磁鏈;Nt為每相繞組的匝數(shù);Bg為氣隙磁通密度的峰值;f為逆變器的工作頻率;p為電機(jī)極對(duì)數(shù);Ke為電勢(shì)系數(shù),該系數(shù)包括定子繞組分布系數(shù)KW和磁極的極弧系數(shù)α;Dg為氣隙處直徑;Le為轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度。

從式 (3)可得電機(jī)的相反電勢(shì)峰值為

為計(jì)及電流波形的熱效應(yīng)定義電流波形系數(shù)為

式中:Irms為電機(jī)相電流的均方根值,其取值決于定子繞組的線負(fù)荷AS

由式 (5)、式 (6)即得電機(jī)的相電流峰值表達(dá)式

2)永磁體尺寸的確定

永磁體采用釤鈷磁鋼,磁鋼采用扇形瓦片狀結(jié)構(gòu)。其尺寸和電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)決定了電機(jī)的磁負(fù)荷,而磁負(fù)荷則決定著電機(jī)的功率密度和損耗。對(duì)于表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)永磁電機(jī),其永磁體尺寸可近似地由式 (9)確定:

式中,δi為氣隙長(zhǎng)度;Br為剩磁;Bδ為氣隙磁密;τ為極矩。

為了抑制力矩波動(dòng),可以改變傳統(tǒng)的磁鋼平行充磁方式,采用磁鋼徑向充磁,會(huì)獲得較平坦的氣隙磁場(chǎng)分布和較平的反電勢(shì)波形,從而降低力矩波動(dòng)。另外,可適當(dāng)增加磁鋼極對(duì)數(shù),使力矩波動(dòng)的頻率提高,一般來(lái)說(shuō)低頻的力矩波動(dòng)對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的影響較大。

3.2 電機(jī)有限元模型

該電機(jī)的磁路由外轉(zhuǎn)子、外磁鋼、內(nèi)磁鋼、內(nèi)轉(zhuǎn)子和氣隙組成,氣隙磁場(chǎng)計(jì)算是電機(jī)計(jì)算之關(guān)鍵。有限元模型包括所有的節(jié)點(diǎn)、單元、材料屬性、邊界條件,以及其他用來(lái)表現(xiàn)這個(gè)物理系統(tǒng)的特征[6],有限元仿真的前處理主要包括:創(chuàng)建模型、設(shè)置邊界條件、施加勵(lì)磁及負(fù)載、模型的網(wǎng)格剖分和設(shè)置計(jì)算步長(zhǎng)[7]。本電機(jī)的極/槽數(shù)為32/24,為此求解區(qū)域選為1/8個(gè)電機(jī)。取樣機(jī)的有限元求解模型及網(wǎng)格剖分圖如圖4、圖5所示。計(jì)算步長(zhǎng)的選擇也是影響分析計(jì)算精度的關(guān)鍵因素。為提高計(jì)算精度,盡量減小計(jì)算步長(zhǎng),但步長(zhǎng)過(guò)小會(huì)造成計(jì)算量過(guò)大,對(duì)計(jì)算機(jī)CPU和內(nèi)存要求太大,計(jì)算時(shí)間也過(guò)長(zhǎng)。因此,為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間,需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)合理選擇步長(zhǎng)。

圖4 雙磁鋼轉(zhuǎn)子電機(jī)的求解模型

圖5 網(wǎng)格剖分

3.3 仿真分析

1)電機(jī)空載性能分析計(jì)算

雙磁鋼轉(zhuǎn)子電機(jī)空載時(shí),電樞繞組中沒(méi)有電流,即ia=ib=ic=0A,磁場(chǎng)由內(nèi)、外轉(zhuǎn)子中永磁體產(chǎn)生,通過(guò)有限元計(jì)算便可得到空載磁場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果,仿真轉(zhuǎn)速n=1200r/min,得出2對(duì)極下電機(jī)的磁力線仿真結(jié)果,如圖6所示。

圖6 磁力線分布

圖6顯示了電機(jī)的磁力線分布,從圖中可以看出,永磁磁通路徑與原理定性分析相一致。

圖7、圖8和圖9分別給出了空載轉(zhuǎn)速n=1000r/min,2對(duì)極中軸向位置z=0處內(nèi)、外轉(zhuǎn)子氣隙磁密波形圖和樣機(jī)磁密分布圖。由圖7和圖8可知,內(nèi)、外轉(zhuǎn)子空載氣隙磁密波形一極下基本為一平頂波,平均值為0.59T、0.56T(絕對(duì)值)。氣隙磁密分布不是光滑的曲線,而是類似于正弦波的曲線[8]。由于采用了雙磁鋼的結(jié)構(gòu),氣隙磁場(chǎng)有明顯增強(qiáng),氣隙磁密分布如圖9所示。在相同力矩條件下,可以減小定子線圈的切割軸向長(zhǎng)度,從而減少銅損;并可以同步減小轉(zhuǎn)子組件的軸向長(zhǎng)度,從而減小整個(gè)飛輪的軸向長(zhǎng)度,補(bǔ)償內(nèi)磁鋼增加的質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的輕量化。

圖7 空載氣隙磁密波形 (內(nèi))

圖8 空載氣隙磁密波形 (外)

圖9 樣機(jī)磁密分布

圖10所示為電機(jī)在n=1000r/min時(shí)的空載反電勢(shì)波形,從圖中可以看出,三相反電勢(shì)波形對(duì)稱,相反電勢(shì)的有效值為11.3V。為了抑制力矩波動(dòng),合理優(yōu)化設(shè)計(jì)電機(jī)尺寸、磁鋼充磁方式,會(huì)獲得較平的反電勢(shì)波形,以降低力矩波動(dòng)[9-10]。

圖10 空載相反電勢(shì)波形

2)電機(jī)力矩分析

雙磁鋼轉(zhuǎn)子電機(jī)有限元仿真模型為電壓源激勵(lì),通過(guò)設(shè)置電源供電電壓,可得到負(fù)載磁場(chǎng)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)波形。通過(guò)有限元計(jì)算得到電機(jī)最大功耗下的力矩波形如圖11所示。

圖11 負(fù)載運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩波形

由圖11可見(jiàn),電機(jī)電磁力矩的有效值為1.2N·m,輸出性能滿足電機(jī)技術(shù)指標(biāo)要求,能夠達(dá)到運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)大力矩飛輪超大力矩輸出的設(shè)計(jì)要求,采用了一種基于雙磁鋼轉(zhuǎn)子的永磁電機(jī),可以有效提高氣隙磁密,使氣隙磁密接近0.6T,相對(duì)于傳統(tǒng)電機(jī)的氣隙磁密一般不超過(guò)0.5T,磁負(fù)荷有了較大的提升,從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的輕量化。通過(guò)有限元仿真計(jì)算,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)能夠滿足指標(biāo)要求,實(shí)現(xiàn)了大力矩輸出。