廚師機(jī)用新型永磁游標(biāo)直驅(qū)電機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

胡 磊，許平建，趙佳峰，吳鳳海，朱婉婉

(惠而浦(中國(guó))股份有限公司，合肥 230088)

0 引 言

廚師機(jī)是一種具有和面，打蛋，絞肉，果蔬榨汁等功能的廚電電器。傳統(tǒng)的廚師機(jī)是將電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力通過一個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞給工作區(qū)的攪拌機(jī)構(gòu)，常見的廚師機(jī)的結(jié)構(gòu)模型，其前端可以是一個(gè)高速運(yùn)行但力矩較低的串激電機(jī)，通過一個(gè)減速機(jī)構(gòu)將前端的高速低力矩轉(zhuǎn)換為后端的低速大力矩。這個(gè)減速機(jī)構(gòu)組成的傳動(dòng)系統(tǒng)通常為皮帶傳動(dòng)或者齒輪傳動(dòng)。顯然，這種皮帶或齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)不但造成廚師機(jī)體積大，能量傳遞過程中伴有損失，而且會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)噪音。此外，齒輪或皮帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往需要涂抹潤(rùn)滑油，不僅對(duì)后期維修造成麻煩，而且也不利于食品衛(wèi)生。廚師機(jī)采用串激電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用多個(gè)齒輪作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而且在齒輪間涂抹大量潤(rùn)滑油。

針對(duì)現(xiàn)有的廚師機(jī)存在的缺陷，如果能夠?qū)X輪箱這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)去除，使得電機(jī)能夠直接去驅(qū)動(dòng)廚師機(jī)的攪拌器，將整個(gè)系統(tǒng)做成直驅(qū)系統(tǒng)。顯然，用于該直驅(qū)系統(tǒng)的電機(jī)是一種具有較高轉(zhuǎn)矩密度的低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)?，F(xiàn)有的低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)常見的有軸向磁通電機(jī)，磁齒輪電機(jī)，雙定/轉(zhuǎn)子電機(jī)，以及永磁游標(biāo)電機(jī)等[1]。考慮到廚師機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及加工難度，本文設(shè)計(jì)了一款8/36/28的新型永磁游標(biāo)電機(jī)(即定子極對(duì)數(shù)為8，調(diào)磁極數(shù)為36，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為28)，仿真研究了電機(jī)的空載磁場(chǎng)、空載反電動(dòng)勢(shì)、齒槽轉(zhuǎn)矩、空載損耗；電機(jī)負(fù)載下的電磁轉(zhuǎn)矩、效率Map、轉(zhuǎn)矩Map等。仿真研究結(jié)果表明該電機(jī)可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為樣機(jī)制作提供依據(jù)。

1 永磁游標(biāo)電機(jī)原理

可以作為一種低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)的永磁游標(biāo)電機(jī)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，它是一種和磁齒輪，磁齒輪電機(jī)有相似工作原理的新型磁場(chǎng)調(diào)制型電機(jī)[2-4]。在永磁游標(biāo)電機(jī)中，將磁齒輪的高速旋轉(zhuǎn)的磁鋼用通三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的定子代替，將磁齒輪或磁齒輪電機(jī)可以旋轉(zhuǎn)的調(diào)磁極固定在定子鐵心上。定子側(cè)勵(lì)磁產(chǎn)生的極數(shù)少但旋轉(zhuǎn)速度快的磁場(chǎng)通過調(diào)磁極產(chǎn)生極數(shù)高但旋轉(zhuǎn)速度慢的諧波磁場(chǎng)，當(dāng)該諧波磁場(chǎng)的極數(shù)與轉(zhuǎn)子側(cè)的磁鋼的極數(shù)相等時(shí)，即可產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩[5]。永磁游標(biāo)電機(jī)定子側(cè)的極對(duì)數(shù)與調(diào)磁極數(shù)以及轉(zhuǎn)子側(cè)的極對(duì)數(shù)需滿足公式[6-7]：

P1=|mP2+nP3|

(1)

式中，m=1、3、5、…，n=0、±1、±2、…,P1為轉(zhuǎn)子側(cè)極對(duì)數(shù)，P2為定子側(cè)電樞磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)，P3為調(diào)磁極數(shù)。當(dāng)m=1，n=-1時(shí)，定子側(cè)的電樞勵(lì)磁磁場(chǎng)經(jīng)過調(diào)制極的調(diào)制后可以在轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生幅值最大的諧波磁場(chǎng)。永磁游標(biāo)電機(jī)的內(nèi)外磁場(chǎng)的傳動(dòng)比公式為

G=-P1/P2

(2)

由于定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)速不相同，因此游標(biāo)電機(jī)具有變轉(zhuǎn)速功能，其傳動(dòng)比為外內(nèi)極對(duì)數(shù)之比。該公式同時(shí)也反映了游標(biāo)電機(jī)還具有轉(zhuǎn)速反向的功能。

2 電機(jī)主要參數(shù)確定

受制于廚師機(jī)的使用空間，以及考慮到結(jié)構(gòu)安裝方便和美觀要求，將電機(jī)設(shè)計(jì)成外徑140mm，軸長(zhǎng)60mm的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。圖1為所設(shè)計(jì)電機(jī)的二維模型圖和三維模型圖。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。電機(jī)的定子為18槽分裂極結(jié)構(gòu)，每個(gè)齒上有兩個(gè)極共36個(gè)極。定子齒上極與極之間放置釹鐵硼磁鋼，用于增強(qiáng)電機(jī)氣隙磁密，而相鄰齒之間為空氣。釹鐵硼磁鋼的磁導(dǎo)率和空氣接近，因此整個(gè)電機(jī)氣隙側(cè)與定子勵(lì)磁線圈之間構(gòu)成了齒極-磁鋼-齒極-空氣-齒極的調(diào)磁環(huán)。不同于磁齒輪電機(jī)的調(diào)磁環(huán)可以旋轉(zhuǎn)，該游標(biāo)電機(jī)的調(diào)磁環(huán)固定在定子鐵心上，因此是一種單氣隙旋轉(zhuǎn)裝置。轉(zhuǎn)子上內(nèi)表貼28塊徑向充磁的釹鐵硼磁鋼?？紤]到內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)溫升較高，對(duì)磁鋼性能的影響較大，如果溫度過高會(huì)導(dǎo)致磁鋼的退磁，因此定轉(zhuǎn)子磁鋼都選用最高工作溫度能達(dá)到150℃的燒結(jié)釹鐵硼35SH。

圖1 8/36/28結(jié)構(gòu)永磁游標(biāo)電機(jī)模型

表1 永磁游標(biāo)電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3 空載電磁性能分析

3.1 空載磁場(chǎng)

圖2為8/36/28結(jié)構(gòu)的永磁游標(biāo)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在不同角度下的空載磁力線圖。仿真結(jié)果可以看出，雖然轉(zhuǎn)子側(cè)有56極的磁力閉合線，但是經(jīng)過定子齒上36塊齒極的磁場(chǎng)調(diào)制作用，在定子側(cè)的鐵心上只有16極的磁力閉合線，因此其定子側(cè)可以看成是18槽16極的普通永磁同步電機(jī)。根據(jù)式(2)可以得出，8/36/28永磁游標(biāo)電機(jī)的內(nèi)外磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速比為7∶2，因此當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對(duì)磁極時(shí)，其定子側(cè)的磁場(chǎng)則轉(zhuǎn)過45°。圖3分別為該游標(biāo)電機(jī)的空載磁密云圖和氣隙磁密圖。由于硅鋼片隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，其磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，因此對(duì)于電機(jī)磁路尺寸的設(shè)計(jì)要保證齒寬，磁軛等關(guān)鍵位置的磁密應(yīng)在硅鋼片BH曲線的膝點(diǎn)以下。

圖2 轉(zhuǎn)子不同角度下的空載磁力線

圖3 空載磁密云圖和氣隙磁密

3.2 空載反電動(dòng)勢(shì)

將固定在轉(zhuǎn)子上的永磁體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的永磁體產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)鏈過固定在定子鐵心上的線圈會(huì)感應(yīng)出電壓，稱之為反電動(dòng)勢(shì)。圖4為本文所設(shè)計(jì)的永磁游標(biāo)電機(jī)在100 r/min下的空載反電動(dòng)勢(shì)以及其諧波分析。對(duì)于永磁同步電機(jī)來說，反電動(dòng)勢(shì)的正弦度越高越有利于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩恒定，可以降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)[8]。仿真結(jié)果表明，該電機(jī)的槽型及磁鋼的極弧設(shè)計(jì)使得相反電動(dòng)勢(shì)含有極低的高次諧波。此外，從仿真結(jié)果中也可以看出，電機(jī)三相反電動(dòng)勢(shì)的相序?yàn)锳CB而不是ABC，驗(yàn)證了該類型永磁游標(biāo)電機(jī)具有轉(zhuǎn)速反相的功能。

圖4 100 r/min下空載反電動(dòng)勢(shì)及諧波分析

本文所設(shè)計(jì)的游標(biāo)電機(jī)在定子齒上的兩極處安裝有磁鋼，一方面該磁鋼可以充當(dāng)調(diào)磁環(huán)的不導(dǎo)磁部分，另一方面可以增加電機(jī)的氣隙磁密。此外，傳統(tǒng)的永磁電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)來源于固定在轉(zhuǎn)子上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的永磁體，而永磁游標(biāo)電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒有永磁體也可以在線圈上感應(yīng)出反電動(dòng)勢(shì)。圖5為本文所設(shè)計(jì)的永磁游標(biāo)電機(jī)在定轉(zhuǎn)子上都有磁鋼，只有轉(zhuǎn)子有磁鋼以及只有定子有磁鋼3種情況下的B相反電動(dòng)勢(shì)對(duì)比圖。仿真結(jié)果表明，定轉(zhuǎn)子上都放置磁鋼，相較于只有轉(zhuǎn)子有磁鋼的情況反電動(dòng)勢(shì)提高了54%，相較于只有定子有磁鋼的情況反電動(dòng)勢(shì)提高了182%，即在現(xiàn)有的體積下大幅提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。轉(zhuǎn)子上沒有磁鋼也可以在線圈中感應(yīng)出反電動(dòng)勢(shì)，其與只有轉(zhuǎn)子有磁鋼情況下的反電動(dòng)勢(shì)的疊加接近定轉(zhuǎn)子都有磁鋼下的反電動(dòng)勢(shì)值。

圖5 不同磁鋼配合下的相反電動(dòng)勢(shì)對(duì)比

3.3 齒槽轉(zhuǎn)矩

齒槽轉(zhuǎn)矩來自于永磁電機(jī)的定轉(zhuǎn)子鐵心開槽，在永磁體旋轉(zhuǎn)的過程中，造成電機(jī)氣隙磁場(chǎng)儲(chǔ)能的變化從而產(chǎn)生力矩。齒槽轉(zhuǎn)矩是來自于電機(jī)本體設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的固有特性。文獻(xiàn)[9]對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行深入研究指出齒槽轉(zhuǎn)矩在定轉(zhuǎn)子每個(gè)齒距變化下是周期性的，并給出了不斜槽下的齒槽轉(zhuǎn)矩的理論計(jì)算公式:

(3)

式中,L為鐵心軸長(zhǎng)，R1和R2分別為轉(zhuǎn)子外半徑和定子內(nèi)半徑，n為使nz/2p為整數(shù)的整數(shù)。

圖6為本文所設(shè)計(jì)的游標(biāo)電機(jī)在定轉(zhuǎn)子都有磁鋼，只有定子有磁鋼，只有轉(zhuǎn)子有磁鋼三種情況下的齒槽轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果?？梢钥闯?，雖然定轉(zhuǎn)子都放置磁鋼可以提高電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，但也使得齒槽轉(zhuǎn)矩相對(duì)增大。在定轉(zhuǎn)子都有磁鋼的情況下，齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值為369 mNm，對(duì)于這種低速大力矩輸出調(diào)速場(chǎng)合，齒槽轉(zhuǎn)矩較小。

3.4 空載損耗

經(jīng)典的永磁電機(jī)理論認(rèn)為電機(jī)的鐵耗主要來自于硅鋼片的磁滯損耗，渦流損耗以及附加損耗[10]。這些損耗大小與電機(jī)所用硅鋼片的厚度，硅鋼片的表面鍍層，電流的頻率，鐵心磁密等息息相關(guān)。此外釹鐵硼磁鋼在交變磁場(chǎng)中也會(huì)有渦流損耗?；诔杀竞蜏厣紤]，本設(shè)計(jì)所用的硅鋼牌號(hào)為50W1300，釹鐵硼牌號(hào)為35SH。圖7為本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的空載損耗及磁鋼上的渦流損耗。

圖6 不同磁鋼配合下的齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比

圖7 不同轉(zhuǎn)速下的損耗

4 負(fù)載電磁分析

廚師機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速區(qū)間通常在幾十到200多轉(zhuǎn)每分鐘，隨著轉(zhuǎn)速的增加，負(fù)載轉(zhuǎn)矩從二十牛米左右降到幾牛米?；诖?，本文所設(shè)計(jì)的永磁游標(biāo)直驅(qū)電機(jī)期望的輸出電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到20 Nm，工作轉(zhuǎn)速區(qū)間從20到250RPM。圖8和圖9分別為本文所設(shè)計(jì)的游標(biāo)電機(jī)在不同電流下的磁密云圖和輸出電磁轉(zhuǎn)矩曲線圖。由于該類型游標(biāo)電機(jī)具有轉(zhuǎn)速反向功能，因此仿真結(jié)果中的轉(zhuǎn)矩為負(fù)數(shù)。

圖8 不同電流下的磁密云圖

圖9 不同電流下的輸出電磁轉(zhuǎn)矩

釹鐵硼磁鋼剩磁具有負(fù)溫度特性，即隨著釹鐵硼磁鋼溫度的升高，其剩磁不斷降低，反應(yīng)在電參數(shù)上就是反電動(dòng)勢(shì)的降低，從而造成所設(shè)計(jì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)的降低。因此，所設(shè)計(jì)的電機(jī)在常溫下應(yīng)具有一定的過載能力。此外，隨著轉(zhuǎn)矩電流的增加，電機(jī)定子的齒極和轉(zhuǎn)子齒部逐漸趨于飽和，造成在高轉(zhuǎn)矩的時(shí)候轉(zhuǎn)矩波動(dòng)加大。在采用Id=0控制方式下，當(dāng)電流加到4.5 A時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到25 Nm，超過所期望的轉(zhuǎn)矩輸出要求。圖10為所設(shè)計(jì)的永磁游標(biāo)電機(jī)在最大電流5 A，轉(zhuǎn)速300 r/min以內(nèi)，使用MTPA控制下的轉(zhuǎn)矩和效率仿真Map圖。從仿真結(jié)果中可以看出，該電機(jī)的轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速在250 r/min左右，在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)其最大轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)超20 Nm，電機(jī)效率達(dá)到85%以上。

圖10 MTPA控制下的仿真Map

5 結(jié) 語

本文將現(xiàn)有的廚師機(jī)使用高速低轉(zhuǎn)矩電機(jī)-減速機(jī)構(gòu)-執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)能傳遞模式變換為低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)-執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)能傳遞模式，其中低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)采用的是集中繞組多齒分裂極游標(biāo)電機(jī)，這種直驅(qū)系統(tǒng)可以降低廚師機(jī)體積，提高系統(tǒng)的傳遞效率，增加系統(tǒng)的可靠性。所設(shè)計(jì)的8/36/28永磁游標(biāo)電機(jī)，定子部分可以認(rèn)為是18槽16極的普通永磁同步電機(jī)，固定在定子鐵心上調(diào)磁極數(shù)為36，轉(zhuǎn)子部分的永磁體極對(duì)數(shù)為28，分別對(duì)其空載工況和負(fù)載工況進(jìn)行電磁性能分析，仿真結(jié)果表明：永磁游標(biāo)電機(jī)具有反向變速功能；定轉(zhuǎn)子鐵心都設(shè)計(jì)成有磁鋼的方式，相較于只有定子有磁鋼和只有轉(zhuǎn)子有磁鋼可以大幅提高所設(shè)計(jì)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，而且反電動(dòng)勢(shì)波形的正弦度好，諧波含量低；所設(shè)計(jì)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩較低；轉(zhuǎn)矩Map和效率Map表明所設(shè)計(jì)電機(jī)具有一定的轉(zhuǎn)矩過載能力和高效率，能夠達(dá)到廚師機(jī)電機(jī)所期望的力矩輸出。