新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)Ansoft 3D仿真分析

杜 飛，姚舜才，安 坤，任一峰

(中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

爪極電機(jī)由于轉(zhuǎn)子由兩個(gè)呈鳥(niǎo)爪狀的爪極交錯(cuò)形成而得名. 這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造簡(jiǎn)單、輸出性能好、成本低，因此廣泛應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)電機(jī)領(lǐng)域[1-2]. 但由于兩爪極的特殊結(jié)構(gòu)造成的漏磁通大、電機(jī)空間利用率低和電機(jī)易磁飽和等問(wèn)題，使得電機(jī)的效率普遍在65%以下[3].

為了增加有效磁通，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]研究了在轉(zhuǎn)子軛部放置永磁體的串聯(lián)混合勵(lì)磁方式，永磁體的主要作用是增強(qiáng)爪極電機(jī)的主磁通，但是，永磁體會(huì)破壞原本爪極電機(jī)軛部結(jié)構(gòu)，同時(shí)增大電勵(lì)磁磁路的總磁阻. 文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]在相鄰爪極之間放置切向充磁的永磁體，與原來(lái)的電勵(lì)磁形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，但是永磁體的固定問(wèn)題使得電機(jī)不能進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn). 另外還有一種是在轉(zhuǎn)子軛部和勵(lì)磁線圈之間放置圓筒式永磁體，充磁方向與原來(lái)電勵(lì)磁產(chǎn)生磁場(chǎng)方向一致，并形成并聯(lián)式混合勵(lì)磁[8-9]，但也壓縮了電勵(lì)磁線圈的空間，使得電勵(lì)磁產(chǎn)生得磁動(dòng)勢(shì)減小.

同時(shí)，傳統(tǒng)爪極電機(jī)電樞采用集中式設(shè)計(jì)，端部長(zhǎng)度較大，傳統(tǒng)爪極電機(jī)并沒(méi)有完全利用到電樞圍成的空間，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分比整個(gè)電機(jī)長(zhǎng)度略小，理論上可以增加爪極電機(jī)的兩爪極長(zhǎng)度，使得整個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度和電機(jī)整體長(zhǎng)度一致[10-11]，但是爪極超出部分對(duì)電機(jī)性能提升不起作用，反而造成材料浪費(fèi). 此外，為保證爪極電機(jī)的應(yīng)力要求，電機(jī)爪極的尖部尺寸和爪極長(zhǎng)度不宜較大[12].

基于上述混合勵(lì)磁爪極電機(jī)的研究，本文提出一種新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)，既不破壞電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的整體結(jié)構(gòu)，也能保證永磁體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而通過(guò)混合勵(lì)磁增加電機(jī)的主磁通. 同時(shí)新結(jié)構(gòu)通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得電機(jī)端部空間得到有效利用，提高電機(jī)整體空間的利用率，使得電機(jī)的功率得到提升. 此外，通過(guò)增加新組件，構(gòu)建新磁路，使爪極電機(jī)擁有多條磁路，從而減小電機(jī)的易磁飽和特性，進(jìn)一步提高電機(jī)的效率和功率.

1 新型爪極電機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)的轉(zhuǎn)子由三種部件組成，即轉(zhuǎn)子、永磁體和磁環(huán). 其結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示. 其中，傳統(tǒng)爪極電機(jī)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度略小于定子長(zhǎng)度. 永磁體完全貼合在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子所對(duì)應(yīng)的根部，同側(cè)永磁體之間相距45°，對(duì)側(cè)永磁體相錯(cuò)22.5°. 其中永磁體采用釹鐵硼永磁材料，16塊永磁體充磁方向完全一樣. 同時(shí)永磁體固定在具有鐵齒的磁環(huán)上，鐵齒部位和爪極的尖部完全貼合. 磁環(huán)采用和轉(zhuǎn)子部件相同的材料，以利于磁通路徑的改善.

由圖1 所示的新型爪極電機(jī)結(jié)構(gòu)可以看出，永磁體貼于爪極的根部，可以和電勵(lì)磁磁場(chǎng)形成混合勵(lì)磁方式，同時(shí)永磁體與磁環(huán)相連接，通過(guò)磁環(huán)的結(jié)構(gòu)可以固定永磁體，從而保證永磁體在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的強(qiáng)度要求.

圖1 新型電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖Fig.1 New motor rotor structure

1.2 磁通路徑分析

傳統(tǒng)爪極電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)主要由放置于轉(zhuǎn)子軛部空間的電勵(lì)磁線圈提供. 當(dāng)勵(lì)磁線圈通入直流電流時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生軸向磁通. 磁通路徑首先從爪極的軛部出發(fā)，經(jīng)過(guò)其中一個(gè)爪極的靴部和爪極表面進(jìn)入氣隙，穿過(guò)氣隙空間進(jìn)入定子中，然后繞經(jīng)定子槽軛部和定子齒再次進(jìn)入氣隙之中，再次穿過(guò)氣隙空間進(jìn)入到相鄰爪極的表面和靴部之中，最終回到轉(zhuǎn)子軛部，從而形成完整閉合回路[13-14]. 爪極電機(jī)的主磁通路徑如圖2 所示.

圖2 傳統(tǒng)電機(jī)磁通路徑圖Fig.2 Flux path diagrams of conventional motor

新型爪極電機(jī)多出一個(gè)永磁勵(lì)磁的磁場(chǎng)源，因此在磁通路徑形成方面，新型爪極電機(jī)增加了由永磁體形成的新磁通路徑，圖3 給出了新型爪極電機(jī)增加的主磁通路徑. 主磁通路徑為從永磁體“N”極出發(fā)，經(jīng)過(guò)磁環(huán)和爪極的表面進(jìn)入氣隙中，穿過(guò)氣隙之后繞經(jīng)定子槽軛部和定子齒部再次進(jìn)入氣隙中，最后經(jīng)由相鄰爪極表面最終回到永磁體的“S”極.

對(duì)于爪極電機(jī)而言，能有效影響電機(jī)性能的磁通路徑為從轉(zhuǎn)子一極出發(fā)，經(jīng)過(guò)氣隙和定子，最終回到相鄰爪極的這一段磁通路徑. 而新型爪極電機(jī)在磁通路徑中，特別是永磁體產(chǎn)生的磁通路徑，整個(gè)回路都是圍繞這一段有效磁通路徑，因此新型爪極電機(jī)具有更高效的磁通路徑. 此外，由于新型爪極電機(jī)沒(méi)有產(chǎn)生需要繞經(jīng)爪極軛部和靴部的磁通路徑，磁通路徑更短. 在整個(gè)回路中，永磁體的磁動(dòng)勢(shì)損失比較小，能夠產(chǎn)生較大的主磁通，對(duì)于電機(jī)性能的提升比較明顯. 因此，對(duì)比傳統(tǒng)爪極電機(jī)，新型爪極電機(jī)不僅具有更短的磁通路徑，而且能更有效地提升爪極電機(jī)性能.

圖3 新型電機(jī)磁通路徑圖Fig.3 Flux path diagrams of new motor

2 電機(jī)損耗對(duì)比分析

等效磁路法是電機(jī)仿真建模中常用的方法. 忽略爪極電機(jī)漏磁通的情況下，新型爪極電機(jī)的等效磁路圖如圖4 所示，其中Fe和Fm分別為電勵(lì)磁和永磁體產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)，單位為At；Rp,Rs和Rc分別為轉(zhuǎn)子的軛部、靴部和爪極的磁阻，單位為1H-1；Ry和Rt分別代表定子軛部和齒部磁阻；Ra分別代表磁環(huán)磁阻. 虛線框?yàn)樾滦妥O電機(jī)增加的永磁體等效磁路.

圖4 新型爪極電機(jī)等效磁路圖Fig.4 New claw pole motor equivalent magnetic circuit diagram

電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)與電勵(lì)磁電流i(單位A)和線圈匝數(shù)N有關(guān)，即

Fe=Ni.

(1)

永磁體的磁動(dòng)勢(shì)與永磁體的特性有關(guān)，公式為

(2)

式中：Br為永磁體的剩磁，單位為T(mén)；Hm為充磁方向厚度，單位為mm；μ0為真空磁導(dǎo)率，單位為H/m；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率，單位為1厚度. 根據(jù)圖4，令

Rr=2Rc+2Rg+2Rt+Ry,

(3)

Re=2Rs+2Rp.

(4)

可以得出傳統(tǒng)爪極電機(jī)而言其產(chǎn)生的磁通φm，單位為Wb.

(5)

對(duì)于新型爪極電機(jī)，產(chǎn)生的磁通為

(6)

當(dāng)兩種電機(jī)產(chǎn)生相同的磁通時(shí)，所需要的勵(lì)磁電流為

(7)

設(shè)電機(jī)勵(lì)磁繞組的電阻為Rw，單位為Ω. 則當(dāng)兩種電機(jī)產(chǎn)生相同磁通時(shí)，電機(jī)的勵(lì)磁損耗為

(8)

3 磁場(chǎng)仿真結(jié)果對(duì)比分析

表 1 給出了爪極電機(jī)的主要參數(shù).

表 1 新型爪極電機(jī)主要參數(shù)

新型爪極電機(jī)由于存在固定的永磁磁場(chǎng)源和可變的電勵(lì)磁磁場(chǎng)源，因此新型爪極電機(jī)的磁密由兩種磁場(chǎng)源疊加而成. 圖5 和圖6 分別給出了兩種電機(jī)在空載條件下的定轉(zhuǎn)子磁密云圖，其中永磁體采用了牌號(hào)為N42U的NdFeB永磁體.

圖5 兩種電機(jī)轉(zhuǎn)子磁力線云圖Fig.5 Two kinds of motor rotor magnetic dense cloud diagram

圖6 兩種電機(jī)定子磁力線云圖Fig.6 Two kinds of motor stator magnetic dense cloud diagram

新型爪極電機(jī)在永磁體使用NdFeB材料后，在相同的條件下，電機(jī)的磁場(chǎng)性能得到很大的提高，無(wú)論是轉(zhuǎn)子還是定子，磁密的峰值和平均值都有著比較大的提高. 其中傳統(tǒng)爪極電機(jī)的氣隙磁密為0.30 T，新型爪極電機(jī)的氣隙磁密為0.52 T，相比傳統(tǒng)爪極電機(jī)增大73.3%.

對(duì)于兩種爪極電機(jī)，由圖5和圖6可以得知，傳統(tǒng)爪極電機(jī)磁密峰值出現(xiàn)在爪極的靴部，而新型爪極電機(jī)由于存在更短更高效的磁通路徑，特別是在磁環(huán)的鐵齒和爪極尖部結(jié)合部位，永磁體的磁通路徑和電勵(lì)磁的磁通路徑產(chǎn)生疊加，因此，新型爪極電機(jī)的磁密峰值出現(xiàn)在爪極的靴部. 此外，由于新的磁通路徑對(duì)于整個(gè)爪極電機(jī)的電勵(lì)磁磁通路徑起到改良作用，加上永磁體產(chǎn)生的磁通路徑并不需要經(jīng)過(guò)爪極的軛部和靴部，因此，圖5中新型爪極電機(jī)軛部的磁密比傳統(tǒng)爪極電機(jī)的要低. 另外，根據(jù)圖5(a)，在爪極根部靠近定子區(qū)域，經(jīng)過(guò)的磁力線較少，為了提高爪極電機(jī)功率密度，此部分常常被切除，但是造成爪極根部應(yīng)力增大. 新型爪極電機(jī)由于永磁體的存在，使得這一部分的磁密增大，可以保留此部分. 不僅保證爪極根部強(qiáng)度，還提高了爪極電機(jī)的功率密度.

4 性能仿真結(jié)果對(duì)比分析

4.1 兩種電機(jī)磁鏈比分析

在空載狀態(tài)下，通入5 A勵(lì)磁電流時(shí)新型爪極電機(jī)和傳統(tǒng)爪極電機(jī)的磁鏈波形如圖7(a) 所示，同時(shí)為了研究新型爪極電機(jī)磁飽和情況和永磁體對(duì)電機(jī)性能的影響，分別對(duì)兩種電機(jī)通入-10 A～10 A勵(lì)磁電流，得到不同電流條件下的磁鏈趨勢(shì)如圖7(b) 所示.

圖7 磁鏈對(duì)比圖Fig.7 Flux linkage comparison diagram

由圖7 可以得出，空載條件下，傳統(tǒng)爪極電機(jī)磁鏈峰值為0.036 Vs，新型混合勵(lì)磁爪極電機(jī)具有更高的磁鏈值，峰值比傳統(tǒng)爪極電機(jī)磁鏈高0.022 Vs，增大62.84%. 通入不同勵(lì)磁電流時(shí)，傳統(tǒng)爪極電機(jī)磁鏈只跟勵(lì)磁電流有關(guān)，因此呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，隨著電流值的增大而增大. 在通入5 A電流之前，增大的幅度較為明顯，5 A以后時(shí)達(dá)到磁飽和狀態(tài)，增大幅度不明顯. 新型爪極電機(jī)由于永磁體的存在，在電勵(lì)磁電流產(chǎn)生磁場(chǎng)與永磁體磁場(chǎng)反相疊加時(shí)，隨著電流增大，磁鏈減小. 但是減小幅度不明顯； 正向疊加時(shí)，隨著勵(lì)磁電流的增大，磁鏈增大. 在勵(lì)磁電流達(dá)到8 A之前，增大幅度較為明顯，8 A之后增大幅度不明顯. 當(dāng)勵(lì)磁電流為0時(shí)，電機(jī)的磁鏈由永磁體單獨(dú)提供，大小為0.021 Vs. 此外，由于轉(zhuǎn)子存在額外部件，相比傳統(tǒng)爪極電機(jī)，新型爪極電機(jī)達(dá)到磁飽和時(shí)勵(lì)磁電流更大，具有不易磁飽和的特性.

4.2 新型爪極電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩分析

由于新型爪極電機(jī)采用混合勵(lì)磁，在電機(jī)不通電情況下，由于爪極根部永磁體的存在，因此新型爪極電機(jī)相比于傳統(tǒng)電勵(lì)磁爪極電機(jī)會(huì)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩[15-16]. 雖然齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩不產(chǎn)生影響，但是過(guò)大的齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)對(duì)電機(jī)的振動(dòng)產(chǎn)生不良影響. 圖8 給出了新型爪極電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩的變化波形. 在轉(zhuǎn)子一個(gè)周期之內(nèi)，新型爪極電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值為231.68 mN·m.

圖8 齒槽轉(zhuǎn)矩波形Fig.8 Waveform of cogging torque

5 結(jié) 論

本文針對(duì)爪極電機(jī)勵(lì)磁損耗較大，空間利用率低等問(wèn)題提出一種新型混合勵(lì)磁方式，通過(guò)在爪極電機(jī)轉(zhuǎn)子根部增加永磁體和磁環(huán)組件，在實(shí)現(xiàn)混合勵(lì)磁的同時(shí)，增加電機(jī)的空間利用率. 通過(guò)對(duì)新型爪極電機(jī)和傳統(tǒng)爪極電機(jī)進(jìn)行電磁仿真對(duì)比，得出在空載狀態(tài)下，新型爪極電機(jī)具有更高的氣隙磁密和更高的磁鏈值，比傳統(tǒng)爪極電機(jī)氣隙磁密提高73.3 %，磁鏈提高62.84%. 同時(shí)，在達(dá)到磁飽和狀態(tài)時(shí)，新型爪極電機(jī)的電勵(lì)磁電流更高，具有不易磁飽和的特性. 此外，雖然新型爪極電機(jī)存在齒槽轉(zhuǎn)矩，但是齒槽轉(zhuǎn)矩值比較小，峰峰值為463.36 mN·m.