切向永磁電機轉(zhuǎn)子整體斜極方法及其對轉(zhuǎn)矩脈動的影響

唐寧

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 200210)

0 引言

內(nèi)置式永磁電機磁路結(jié)構(gòu)主要包括3種，分別是徑向結(jié)構(gòu)、切向結(jié)構(gòu)及混合磁路結(jié)構(gòu)，其具有轉(zhuǎn)矩大、功率密度高、弱磁范圍廣等優(yōu)點。而切向結(jié)構(gòu)相比于徑向結(jié)構(gòu)而言，因其1個極距下的磁通由2塊永磁體并聯(lián)提供，可進一步提高氣隙磁密，尤其在極數(shù)較多的情況下更為突出；但切向結(jié)構(gòu)相比于徑向結(jié)構(gòu)漏磁較多，諧波含量更為豐富，轉(zhuǎn)矩脈動也較大[1-4]。

永磁電機轉(zhuǎn)矩脈動的來源主要有2個方面，一是定子開槽引起的齒槽轉(zhuǎn)矩，另一個是定子磁動勢與轉(zhuǎn)子磁動勢相互作用產(chǎn)生的紋波轉(zhuǎn)矩。傳統(tǒng)削弱磁槽轉(zhuǎn)矩的方法較多，如輔助槽、不等厚永磁體、定子斜槽、轉(zhuǎn)子分段錯位、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)優(yōu)化等方法。削弱紋波轉(zhuǎn)矩主要措施是從諧波削弱、諧波抵消等方面著手，如斜極、正弦化轉(zhuǎn)子設(shè)計等。

本文針對切向結(jié)構(gòu)永磁無刷直流電機，采用轉(zhuǎn)子分片結(jié)構(gòu)來抑制永磁體的漏磁，對轉(zhuǎn)子磁極進行整體偏移來削弱電機轉(zhuǎn)矩脈動。以有限元分析軟件為工具，分析了轉(zhuǎn)子分片對漏磁的影響，以及轉(zhuǎn)子斜極方法對電機氣隙磁密和轉(zhuǎn)矩脈動的影響。

1 方案設(shè)計

本文以1臺三相6槽4極的內(nèi)置切向式永磁電機為例，研究方案設(shè)計。該電機的主要指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 永磁電機主要指標(biāo)參數(shù)

為減小漏磁，本文所設(shè)計的電機將原本切向結(jié)構(gòu)的磁橋部分?jǐn)嚅_，因此轉(zhuǎn)子周向分為4片。為探討切向結(jié)構(gòu)永磁電機的整體斜極方式對電機本體電磁性能的影響，在已有對稱切向結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對永磁體進行整體斜極，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 整體斜極示意

為削弱瞬時轉(zhuǎn)矩中的主要次諧波分量，用斜極的方式來減弱或抵消轉(zhuǎn)矩脈動中6的倍數(shù)次諧波量。如圖1所示，對于2對極永磁轉(zhuǎn)子，其中一對極沿其中心線往左(或右)傾斜θ角度，另一對極沿其中心線往右(或左)傾斜相同角度。

2 性能分析

電機在未斜極之前的所有結(jié)構(gòu)參數(shù)均通過遺傳優(yōu)化算法進行篩選過，對稱結(jié)構(gòu)的電機轉(zhuǎn)矩脈動、齒槽轉(zhuǎn)矩及效率性能已得到優(yōu)化，故本文僅研究斜極傾斜角度對電機各種性能的影響。

為尋求較優(yōu)的斜極角，以相同輸入條件下的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動為依據(jù)，改變不同的斜極角度θ，求解相對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩脈動。如圖2所示，在圖示范圍內(nèi)隨著斜極角的增大，轉(zhuǎn)矩脈動呈現(xiàn)下降趨勢。本文采用分片式切向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，相對于對稱結(jié)構(gòu)，斜極后的轉(zhuǎn)子，其1個q軸下的區(qū)域面積增加，1個q軸下的區(qū)域面積減少，因此斜極角度不宜過大。綜合考慮電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩脈動，此處選取斜極角度為10°。

圖2 不同斜極角下的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩脈動

整體斜極后，由于每對極傾斜方向不一樣，其對應(yīng)的極弧寬度也不一樣。因此，不同極弧下的氣隙磁密也應(yīng)有所差別，如圖3～4所示。

圖3 開路磁鏈

如圖4所示，q軸區(qū)域較小的極弧與q軸區(qū)域較大的極弧極性相同，但是前者氣隙磁密值高于對稱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子，后者氣隙磁密值低于對稱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子。另外2個極弧下的氣隙磁密值極弧等于原對稱結(jié)構(gòu)，僅是波形相位有所偏移。

圖4 開路氣隙徑向磁密

整體切向斜極結(jié)構(gòu)擁有不等的極弧，但其每相繞組所匝鏈的磁通是一樣的，三相反電勢也是完全對稱的，理論來說不會產(chǎn)生不平衡磁拉力。從圖5～6可見，斜極結(jié)構(gòu)能夠抑制反電勢中的5次諧波、7次諧波，而這2種諧波正是關(guān)聯(lián)永磁轉(zhuǎn)矩中的6次諧波分量。因此，可預(yù)見采用斜極結(jié)構(gòu)后的電機電磁轉(zhuǎn)矩6次諧波分量將會大大減小。

圖5 反電勢

圖6 反電勢諧波對比

為了證明斜極結(jié)構(gòu)能降低電機的轉(zhuǎn)矩脈動，需要保證其與對稱結(jié)構(gòu)輸入完全相同。二者的瞬時電磁轉(zhuǎn)矩波形及對應(yīng)的諧波分解如圖7～8所示。傳統(tǒng)對稱結(jié)構(gòu)電磁轉(zhuǎn)矩平均值約0.96 Nm，轉(zhuǎn)矩脈動約12.34%；而斜極結(jié)構(gòu)電磁轉(zhuǎn)矩平均值約0.93 Nm，轉(zhuǎn)矩脈動約6.63%。相比對稱結(jié)構(gòu)，斜極結(jié)構(gòu)電磁轉(zhuǎn)矩降低約3.1%，原因是切向結(jié)構(gòu)整體斜極后有一對極下的q軸區(qū)域減少，導(dǎo)致定子齒靴的漏磁增加，使有效磁通減少，故電磁轉(zhuǎn)矩下降；而斜極結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩脈動下降約46.3%，原因顯而易見，如圖8所示。

圖7 電磁轉(zhuǎn)矩

圖8 電磁轉(zhuǎn)矩諧波分解

3 樣機制作與試驗

為了驗證整體斜極結(jié)構(gòu)對電機實際電磁性能的影響，根據(jù)與表1有關(guān)的數(shù)據(jù)制作了樣機，包括定子組件；針對分片轉(zhuǎn)子，設(shè)計特殊工裝完成其組件，如圖9所示。

圖9 定、轉(zhuǎn)子組件

各部件組裝完成之后，測試整體斜極電機的齒槽轉(zhuǎn)矩波形，同時將其與仿真值進行比較，結(jié)果如圖10所示。由圖10可見，仿真值波形與實測值波形走向基本接近，齒槽轉(zhuǎn)矩峰值約為8 mNm；可觀察到齒槽轉(zhuǎn)矩每一個單元周期內(nèi)正半周右側(cè)有明顯凹陷，可知齒槽轉(zhuǎn)矩中某些主要次諧波被削弱，與理論分析基本一致。

圖10 齒槽轉(zhuǎn)矩

反電勢波形與轉(zhuǎn)矩脈動密切相關(guān)。因此，測試了樣機在6 200 r/min下的反電勢，其波形如圖11所示。由圖11可見，反電勢波形的仿真值與實測值較接近，且波形一致性較好。對比可知，斜極結(jié)構(gòu)對減少電機反電勢中的主要奇數(shù)次諧波起到重要作用。

圖11 反電勢(6 200 r/min)

4 結(jié)論

本文提出一種切向永磁電機的整體斜極方法，通過磁極偏移以消除反電勢中的某些次諧波，有助于減小電機的齒槽轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動；同時，利用特殊工裝斷開內(nèi)外磁橋以提高電機氣隙磁密，進而提高電機轉(zhuǎn)矩密度。仿真分析和試驗結(jié)果均證明切向永磁電機整體斜極有助于消除反電勢中的5、7次諧波分量，故其能夠降低電機的轉(zhuǎn)矩脈動。