新型直流—磁阻單相復(fù)合電機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真研究

馬海寧，吳正飛

（1.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.鳴志電器（太倉）有限公司，江蘇 太倉 215413）

電動(dòng)自行車作為一種低成本的環(huán)境友好型便捷交通工具得到了市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。在帶給人們以便利出行的同時(shí)，市場(chǎng)也對(duì)電動(dòng)自行車輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的成本和性能提出了更高的要求。目前市面上絕大多數(shù)的輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用永磁式無刷直流電機(jī)的方案。盡管無刷直流電機(jī)具有效率相對(duì)高、工作噪音小、調(diào)速性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，但電機(jī)中的永磁體在電機(jī)工作溫度較高和強(qiáng)烈振動(dòng)等情況下存在退磁風(fēng)險(xiǎn)。開關(guān)磁阻電機(jī)具有非永磁、凸級(jí)式結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，因此開關(guān)磁阻電機(jī)被電動(dòng)自行車電機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的研究者所關(guān)注。但其轉(zhuǎn)矩紋波大、脈動(dòng)抑制算法較為復(fù)雜，大大降低了交通乘用的舒適度。本文設(shè)計(jì)了一種具有三維磁路的直流-磁阻單相復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)，結(jié)合了直流電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按直流電機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)兩種電機(jī)原理配合運(yùn)行使所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩有所重疊增加了輸出轉(zhuǎn)矩同時(shí)降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。有限元計(jì)算軟件的建模分析結(jié)果表明，該電機(jī)額復(fù)合結(jié)構(gòu)提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和運(yùn)行效率。

1 復(fù)合電機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，電機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)于電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向?qū)ΨQ，圖中電機(jī)軸已略去。電機(jī)外轉(zhuǎn)子外徑為120mm，內(nèi)徑為106mm，槽深為9mm。凸極寬度為11°、槽寬為9°。在軸向上，外轉(zhuǎn)子為層狀結(jié)構(gòu)。左右兩端各有三層絕緣性高磁導(dǎo)率盤狀材料組成的導(dǎo)磁層夾住兩層輻條直流電樞，每層導(dǎo)磁層用多張硅鋼片緊密疊壓而成。輻條直流電樞為具有18根輻條的輪盤狀銅片，厚度為8mm。整個(gè)電機(jī)共具有四個(gè)輻條直流電樞繞組輻條輪盤。在電機(jī)工作時(shí)，電流經(jīng)輻條徑向流動(dòng)，且四個(gè)輪盤上的電流流向一致。外轉(zhuǎn)子圓筒由硅鋼沖片疊壓而成，與軸向兩端的輻條直流電樞和導(dǎo)磁層共同構(gòu)成18/18直流-磁阻單相復(fù)合電機(jī)的外轉(zhuǎn)子。

圖1 直流-磁阻單相復(fù)合電機(jī)剖面示意圖

內(nèi)定子在軸向上同樣為層狀分布。內(nèi)定子槽底沖片疊放，兩端為疊放的圓盤沖片，形成的槽中繞有軸向勵(lì)磁繞組。軸向勵(lì)磁繞組槽寬5.8mm、槽深為67mm。內(nèi)定子的凸極數(shù)為18個(gè)，凸極寬度為14°、槽寬6°。如圖2所示，在內(nèi)定子的各凸極徑向頂端設(shè)有安裝徑向勵(lì)磁繞組的外槽，槽上繞有徑向勵(lì)磁線圈。內(nèi)定子與外轉(zhuǎn)子之間氣隙寬度為0.3mm。

圖2 軸向裝配圖

電機(jī)轉(zhuǎn)子受力為徑向、軸向三維，電機(jī)軸兩邊的軸承選用GB/T297-1994深溝球軸承60000型18系列的代號(hào)61806。其內(nèi)徑d=30mm、外徑D=42mm、軸承總寬B=7mm。其內(nèi)徑d=30mm，與電機(jī)軸緊配合；外徑D=42mm，與左右兩邊外轉(zhuǎn)子圓盤內(nèi)徑緊密配合。電機(jī)內(nèi)定子鐵芯厚17.4mm，在每個(gè)凸極端部，用28張頂部沖片疊壓，填滿軸向電樞繞組槽。定、轉(zhuǎn)子鐵芯由0.2mm硅鋼片沖制疊壓而成。在內(nèi)定子鐵芯內(nèi)繞有軸向勵(lì)磁線圈300匝，用以產(chǎn)生軸向磁通。在18個(gè)內(nèi)定子凸極的端部外周上設(shè)置有2mm寬、4mm深的繞組槽。槽內(nèi)設(shè)置18個(gè)相互串聯(lián)的5匝徑向勵(lì)磁，要求相鄰?fù)箻O繞向相反，以形成N-S-N-S型磁場(chǎng)。磁力線與外轉(zhuǎn)子圓筒的凸極、軛部、定子凸極環(huán)繞而形成各個(gè)環(huán)形短磁路。

2 運(yùn)行原理分析

直流-磁阻單相復(fù)合電機(jī)采用48V直流電壓源供電，徑向勵(lì)磁繞組、輻條直流電樞、軸向勵(lì)磁繞組的驅(qū)動(dòng)主回路相互獨(dú)立，其驅(qū)動(dòng)電路主回路如圖3所示。其中，Us為直流供電電源，D1、D2、D3為快恢復(fù)二極管。

圖3 直流-磁阻單相復(fù)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)主回路

徑向勵(lì)磁繞組線圈采用不對(duì)稱半橋功率變換器結(jié)構(gòu)，通過控制主開關(guān)管S1、S2同時(shí)開通或者關(guān)斷，即可向徑向勵(lì)磁繞組中注入脈沖電流。

輻條直流電樞采用H橋功率變換器結(jié)構(gòu)，通過控制主開關(guān)管S3、S5或S4、S6，可以在輻條直流電樞中注入方向相反的電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。

主開關(guān)管S7、續(xù)流二極管D3、儲(chǔ)能電感L、濾波電容C共同組成了降壓變換器，將直流供電電源電壓降壓后加在軸向勵(lì)磁繞組兩端，產(chǎn)生恒定的軸向磁場(chǎng)。

在直流-磁阻復(fù)合電極旋轉(zhuǎn)的過程中，徑向勵(lì)磁繞組電感L(θ)隨著位置角θ的增加而周期性的變化。在電感上升區(qū)內(nèi)對(duì)徑向勵(lì)磁繞組通電，將產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此時(shí)電機(jī)工作在開關(guān)磁阻模式下。電源提供的一部分能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，另一部分則存儲(chǔ)在徑向勵(lì)磁繞組中。隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)徑向勵(lì)磁繞組電感進(jìn)入電感下降區(qū)，向繞組注入電流將產(chǎn)生反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，不利于電機(jī)的工作。因此，在電感下降區(qū)內(nèi)關(guān)閉控制徑向勵(lì)磁繞組電流的主開關(guān)管S1、S2。繞組內(nèi)的電流通過快恢復(fù)二極管D1、D2續(xù)流，迅速衰減到0。與此同時(shí)，開通控制輻條繞組的主開關(guān)管S3、S6或S4、S5，向輻條直流電樞中注入電流。輻條上的電流在軸向勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的恒定軸向磁場(chǎng)中受安培力作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此時(shí)電機(jī)工作在直流模式下。

為減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，開關(guān)磁阻電機(jī)的極數(shù)應(yīng)選得較多，如此也將同步減小βr和與其相關(guān)參數(shù)。以此即可增大電樞直徑，和縮小外轉(zhuǎn)子疊厚，進(jìn)而減小電機(jī)質(zhì)量和外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。因此，設(shè)直流-磁阻單相復(fù)合電機(jī)定轉(zhuǎn)子極數(shù)Ns、Nr均為18，即定、轉(zhuǎn)子的極距角τs、τr均為20°，因此在空間中每旋轉(zhuǎn)20°為一個(gè)完整的周期。如前文所述，設(shè)置βs=14°、βr=11°，則最小電感區(qū)αr-βs為0，最大電感重疊角的θ2～θ3區(qū)域?yàn)棣聅-βr=14-11=3°。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)于相對(duì)定子任意(也為該圖起始)位置處，定、轉(zhuǎn)子凸極的重疊角度最小也有5°。如此即可在任意位置處利用整個(gè)定子與轉(zhuǎn)子的凸極重疊度90°，給轉(zhuǎn)子電樞繞組通入相應(yīng)方向電流，使轉(zhuǎn)子按直流電機(jī)原理向所需方向旋轉(zhuǎn)。若假定按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)過1°后每個(gè)定子凸極與轉(zhuǎn)子凸極在逆時(shí)針方向重疊3.5°，而順時(shí)針方向重疊1.5°，此時(shí)切斷轉(zhuǎn)子電樞繞組電流，即可利用徑向勵(lì)磁繞組電流產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，繼續(xù)向逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。如此按磁阻電機(jī)原理旋轉(zhuǎn)約7°后，再通入輻條直流電樞繞組電流即可按直流電機(jī)原理繼續(xù)向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過13°后再切斷輻條直流電樞繞組電流，實(shí)施按磁阻電機(jī)原理旋轉(zhuǎn)，如此也就進(jìn)入了下一個(gè)周而復(fù)始的循環(huán)。

3 電機(jī)的有限元建模

利用有限元電磁分析軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行建模。按照電機(jī)的實(shí)際尺寸，繪制其3D模型，其網(wǎng)格剖分如圖4所示。電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為166.7r/min。按照前述原理對(duì)電機(jī)進(jìn)行3D仿真。仿真步長(zhǎng)為1ms，每步電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度為1°。考慮到電機(jī)旋轉(zhuǎn)以20°為一個(gè)完整周期，因此每周期內(nèi)取20個(gè)相隔1°的位置進(jìn)行仿真，獲取每周期內(nèi)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化曲線。

圖4 直流-磁阻單相復(fù)合電機(jī)的3D網(wǎng)格剖分

與此同時(shí)，針對(duì)磁阻電機(jī)運(yùn)行原理單獨(dú)進(jìn)行2D動(dòng)態(tài)仿真。設(shè)置仿真時(shí)間為20ms，仿真步長(zhǎng)為1ms。分別仿真徑向勵(lì)磁繞組電流在1～50A范圍內(nèi)變化時(shí)，徑向勵(lì)磁繞組的磁鏈隨旋轉(zhuǎn)位置的變化情況（如圖5）。

圖5 SR運(yùn)行時(shí)電機(jī)的短磁路

按照前述原理對(duì)電機(jī)進(jìn)行3D仿真，仿真步長(zhǎng)為1ms，可得圖6所示轉(zhuǎn)矩輸出。計(jì)算結(jié)果顯示，平均轉(zhuǎn)矩6.97N·m，最大轉(zhuǎn)矩為8.49N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)為0.21。

圖6 直流-磁阻單相復(fù)合電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩圖

4 結(jié)語

電機(jī)按直流電機(jī)原理和變磁阻原理兩種方式交替運(yùn)行，既使得轉(zhuǎn)矩輸出周期成倍增加，也使各運(yùn)行期的轉(zhuǎn)矩完全重疊，以此減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。由于在同一方向的旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子電樞繞組通電運(yùn)行期間的電流總為單向，其電刷不會(huì)存在如同直流電動(dòng)機(jī)的換相火花等弊端，所以電刷壽命可相當(dāng)長(zhǎng)。該電機(jī)結(jié)構(gòu)將極大提高電機(jī)的功率密度和電動(dòng)自行車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性價(jià)比。