游標(biāo)混合電機性能分析

崔智 王天祺 房遠 董政

摘 要：游標(biāo)混合機是可變磁阻永磁電機，為雙凸極結(jié)構(gòu)電機，主要由轉(zhuǎn)子鐵芯、調(diào)制齒、定子永磁體、定子鐵芯和電樞繞組五部分組成。電樞繞組和永磁體均放置在定子上，轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片疊壓而成。在一般情況下，電機運行主要是電樞繞組發(fā)熱，游標(biāo)混合機的電樞繞組放置在定子上，使得電機散熱快，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，實現(xiàn)了低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩。因此，游標(biāo)混合機具有廣闊的應(yīng)用前景，例如電動汽車、風(fēng)力發(fā)電等。

關(guān)鍵詞：游標(biāo)混合機；可變磁阻；永磁電機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.156

1 引言

與傳統(tǒng)電機相比，游標(biāo)混合機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗少等顯著優(yōu)點，幾乎完美符合了電力驅(qū)動系統(tǒng)的要求[1]。作為基于磁齒輪效應(yīng)的變磁阻永磁電機的一種，它常見有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別為內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子兩種。將三相對稱繞組放置在電樞槽內(nèi)，同時在電樞齒表面緊貼交替放置極性相反的永磁體，永磁體和電樞繞組均位于定子上的結(jié)構(gòu)使得散熱更容易：轉(zhuǎn)子為齒槽結(jié)構(gòu)，由硅鋼片疊壓而成，結(jié)構(gòu)簡單可靠[2]。

2 游標(biāo)混合機的結(jié)構(gòu)

本文所研究的游標(biāo)混合機結(jié)構(gòu)如圖1所示，該電機由轉(zhuǎn)子鐵心、調(diào)制齒、定子永磁體、定子鐵芯和電樞繞組五部分組成。轉(zhuǎn)子有17個槽，由轉(zhuǎn)子鐵心和調(diào)制齒組成，定子有6個槽，由定子鐵芯、電樞繞組和永磁體組成。永磁體緊貼電樞齒表面且N、S極交替排列，永磁體為徑向充磁。該結(jié)構(gòu)下的游標(biāo)混合機結(jié)構(gòu)簡單可靠，運行穩(wěn)定可靠。同時，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的磁齒輪電機相比，在運行過程中，具有顯著優(yōu)點，例如轉(zhuǎn)矩密度高、驅(qū)動靈活、散熱快等，應(yīng)用范圍更廣且發(fā)展空間大。表1給出游標(biāo)混合機各個結(jié)構(gòu)參數(shù)及符號說明。

3 游標(biāo)混合機的原理

游標(biāo)混合電機為雙凸極結(jié)構(gòu)電機，電機運行原理為[3]：轉(zhuǎn)子齒槽轉(zhuǎn)動引起氣隙磁導(dǎo)發(fā)生周期性變化，永磁體產(chǎn)生的磁動勢與氣隙磁導(dǎo)相互作用，調(diào)制出一系列空間諧波與電樞繞組產(chǎn)生的空間諧波作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。本節(jié)利用解析法和有限元法分析電機的氣隙磁密分布及其諧波次數(shù)來闡述游標(biāo)混合電機的磁場調(diào)制原理。下面對游標(biāo)混合電機進行解析法分析：

若只考慮基波影響，永磁體的磁動勢F可表示為：

（1）

式中，F(xiàn)為永磁體磁動勢，F(xiàn)pm為磁動勢幅值，pm為永磁體基波的極對數(shù)，它由永磁體排列和磁化方向決定，θ為機械角度，θ0為磁動勢初始角度。

隨著轉(zhuǎn)子的運動，氣隙磁導(dǎo)么產(chǎn)生規(guī)律性變化，可表示為：

（2）

式中，?0為恒定值，?pr為pr次諧波氣隙磁導(dǎo)的幅值，ω為轉(zhuǎn)子角頻率。

在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，氣隙磁密Bpm可表示為：

（3）

式中，pr為轉(zhuǎn)子調(diào)制齒個數(shù)，pm為定子永磁體等效極對數(shù)。

4 結(jié)論

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，磁通密度第一項為定子上的永磁體產(chǎn)生的靜止 磁場；磁通密度第二項的代表一旋轉(zhuǎn)磁場，（pm-pr）的大小是旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)，如果它為正值，其方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)速大小是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的pr/（pm-pr）倍；磁通密度第三項代表一旋轉(zhuǎn)磁場，（pm+pr）的大小是旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)，如果它為正值，其方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)速大小是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的pr/（pm+pr）倍。

參考文獻：

[1]劉振亞.全球能源互聯(lián)網(wǎng)[M].中國電力出版社，2015.

[2]林鶴云，張洋，陽輝，房淑華，黃允凱.永磁游標(biāo)電機的研究現(xiàn)狀與最新進展[J].中國電機工程學(xué)報.

[3]王秀和，孫雨萍.電機學(xué)（第二版）[M].北京：機械工業(yè)出版社.

作者簡介：崔智（1994-），男，遼寧營口人，碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。