轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的影響分析

彭 兵，連厚宇

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

0 引 言

軸向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱AFSRM)結(jié)合了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱SRM)和軸向磁通電機(jī)的雙重優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，適合工作環(huán)境惡劣、安裝空間存在一定限制的場(chǎng)合[1-3]。與徑向磁通SRM相比，AFSRM的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為特殊，在設(shè)計(jì)AFSRM轉(zhuǎn)子時(shí)，既要保證其具有良好的電磁性能，還要方便加工和制造。研究轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)性能的影響尤為必要。

關(guān)于徑向磁通SRM的研究已取得了豐碩的成果。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了6/4極徑向磁通SRM，通過(guò)有限元仿真校驗(yàn)了電機(jī)性能，并對(duì)電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到最優(yōu)結(jié)果，但只局限于電機(jī)的理想模型，未考慮到工程應(yīng)用中的問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]建立了SRM的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)仿真分析了開(kāi)通角和關(guān)斷角對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及電機(jī)效率的影響，并以轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小化和功率最大化為目標(biāo)對(duì)電機(jī)開(kāi)關(guān)角進(jìn)行了優(yōu)化，但只是從電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出發(fā)對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[6]將帶極靴的T形轉(zhuǎn)子齒應(yīng)用到SRM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，增加了切向力，減小了徑向力，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化減小了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

AFSRM也引起了部分研究人員的注意，文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了新型12/10極AFSRM，定子磁極包括勵(lì)磁磁極和輔助磁極，與相同尺寸的傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)相比，減少了銅用量，提高了輸出轉(zhuǎn)矩，但由于特殊的定子磁極結(jié)構(gòu)，在加工中比較困難，增加了生產(chǎn)成本。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了C形定子結(jié)構(gòu)AFSRM，獨(dú)立的C形定子有更多的繞組空間和良好的散熱性，能夠獲得更高的功率密度和轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了雙定子AFSRM，并將定子極改為梯形結(jié)構(gòu)，增加了從定子流向轉(zhuǎn)子的磁通量，增加了輸出轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[10]應(yīng)用數(shù)學(xué)模型分析了一臺(tái)3.7 kW雙轉(zhuǎn)子AFSRM，對(duì)仿真模型的計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較后，發(fā)現(xiàn)它們?cè)陔娏鳌⒋沛満娃D(zhuǎn)矩特性方面基本一致，從而驗(yàn)證了所提方法計(jì)算精度的有效性。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了齒軛分離的AFSRM，并將有取向硅鋼材料應(yīng)用到定轉(zhuǎn)子齒中，提升了轉(zhuǎn)矩密度，降低了電機(jī)鐵耗，但在生產(chǎn)加工時(shí)，需要將有取向硅鋼片切割成數(shù)塊粘在定子盤(pán)上，對(duì)加工工藝要求較高，同時(shí)也增加了生產(chǎn)成本。

本文基于理想模型設(shè)計(jì)了一臺(tái)三相48/32極雙定子AFSRM，主要研究了定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)和轉(zhuǎn)子厚度對(duì)電機(jī)性能的影響；考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)子的固定問(wèn)題，引入帶有凸臺(tái)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并研究不同凸臺(tái)厚度和凸臺(tái)寬度對(duì)電機(jī)性能的影響；最后對(duì)比了有凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和無(wú)凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)的性能。

1 AFSRM設(shè)計(jì)

1.1 理想模型電機(jī)

雙定子AFSRM理想模型如圖1(a)所示，AFSRM主要由兩個(gè)定子盤(pán)和一個(gè)轉(zhuǎn)子盤(pán)組成，每個(gè)定子盤(pán)有48個(gè)定子齒，轉(zhuǎn)子盤(pán)中嵌著32個(gè)轉(zhuǎn)子塊；電機(jī)定子采用平行槽的結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示，其中hs為定子軛厚，ds為定子槽深，βs為定子極弧，τs為定子極間弧長(zhǎng)；電機(jī)轉(zhuǎn)子采用等極弧結(jié)構(gòu)，如圖1(c)所示，其中hr為轉(zhuǎn)子厚度，βr為轉(zhuǎn)子極弧，τr為轉(zhuǎn)子極間弧長(zhǎng)。

圖1 理想模型電機(jī)

1.2 理想模型電機(jī)設(shè)計(jì)

在AFSRM理想模型的設(shè)計(jì)中，主要考慮到定、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)和轉(zhuǎn)子厚度對(duì)電機(jī)的性能影響。

1.2.1 定子極弧系數(shù)對(duì)電機(jī)性能影響

電機(jī)定、轉(zhuǎn)子極弧需要滿足的必要條件：

式中：q為電機(jī)相數(shù)；Nr為轉(zhuǎn)子極數(shù)。

定子極弧系數(shù)αs可由下式表示：

轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)αr可由下式表示：

根據(jù)式(1)和式(3)，將αr確定在0.4，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，只改變?chǔ)羢，對(duì)不同αs下的電機(jī)模型進(jìn)行有限元仿真分析。平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)和αs的關(guān)系如圖2所示，其中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)KT定義：

式中：Tmax為最大轉(zhuǎn)矩；Tmin為最小轉(zhuǎn)矩；Tavg為平均轉(zhuǎn)矩。

圖2 平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)和αs的關(guān)系圖

由圖2可知，隨著αs的增大，平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)逐漸減小。這是由于當(dāng)αs過(guò)大時(shí)，不對(duì)齊位置處定子和轉(zhuǎn)子的重疊長(zhǎng)度過(guò)大，導(dǎo)致最小電感值上升，輸出轉(zhuǎn)矩降低。在獲得較大的平均轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，還要保證轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)不能太大，綜合考慮，最終選擇αs為0.52。

1.2.2 轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)對(duì)電機(jī)性能影響

在保證αs為0.52不變的前提下，對(duì)不同αr下的電機(jī)模型進(jìn)行有限元仿真，電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)和αr的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，隨著αr的增大，平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)都逐漸減小，且轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)下降的趨勢(shì)從0.4開(kāi)始變緩。這與定子極弧系數(shù)類似，隨著αr的增加，不對(duì)齊位置處定子和轉(zhuǎn)子的重疊長(zhǎng)度逐漸增加，導(dǎo)致最小電感值上升，轉(zhuǎn)矩降低。綜合考慮，選擇αr為0.4，此時(shí)平均轉(zhuǎn)矩較大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)較小。

圖3 平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)和αr的關(guān)系圖

1.2.3 轉(zhuǎn)子厚度對(duì)電機(jī)性能影響

在選擇了最佳αs和αr后，研究電機(jī)轉(zhuǎn)子整體厚度hr對(duì)電機(jī)性能的影響。將hr作為變量，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，對(duì)電機(jī)進(jìn)行仿真分析。

圖4為平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)和hr的關(guān)系圖。從圖4中可以看出，隨著hr的增大，平均轉(zhuǎn)矩逐漸增大，在hr為26mm時(shí)達(dá)到最大值，然后逐漸減小。隨著轉(zhuǎn)子厚度的增加，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)逐漸減小，在hr為26mm后減小的趨勢(shì)變緩。綜上所述，選擇hr為26mm。

圖4 平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)和hr的關(guān)系圖

1.3 理想模型電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

基于以上的參數(shù)設(shè)計(jì)，理想模型電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 AFSRM理想模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)性能的影響

2.1 轉(zhuǎn)子凸臺(tái)結(jié)構(gòu)

為了使轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)便于加工和安裝，在轉(zhuǎn)子的兩側(cè)加入對(duì)稱的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)兩塊軸向?qū)ΨQ的轉(zhuǎn)子盤(pán)將32個(gè)轉(zhuǎn)子塊沿圓周方向壓緊，其三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中hr為轉(zhuǎn)子厚度，h1為轉(zhuǎn)子凸臺(tái)厚度，s1為轉(zhuǎn)子凸臺(tái)寬度。

圖5 轉(zhuǎn)子凸臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.2 轉(zhuǎn)子凸臺(tái)厚度h1對(duì)電機(jī)性能影響

參考其他類型電機(jī)的結(jié)構(gòu)，固定s1為2mm，研究轉(zhuǎn)子凸臺(tái)厚度h1對(duì)電機(jī)性能的影響。在保證其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下，只改變電機(jī)轉(zhuǎn)子凸臺(tái)厚度h1的值，對(duì)電機(jī)進(jìn)行仿真分析。

圖6為平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)和h1的關(guān)系圖。由圖6可知，當(dāng)h1超過(guò)14mm后電機(jī)轉(zhuǎn)矩開(kāi)始逐漸減小，這是因?yàn)楫?dāng)h1過(guò)大時(shí)，會(huì)增加電機(jī)的轉(zhuǎn)子極弧，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩降低。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)在h1為12mm時(shí)最小。綜合考慮，選擇h1為12mm。

2.3 轉(zhuǎn)子凸臺(tái)寬度s1對(duì)電機(jī)性能影響

在確定了h1為12mm后，研究轉(zhuǎn)子凸臺(tái)寬度s1對(duì)電機(jī)性能的影響。圖7為平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)和s1的關(guān)系圖。從圖7可以看出，當(dāng)s1為2.75mm時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩最小為830N·m；當(dāng)s1為3.25mm時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩最大為865N·m；當(dāng)s1為3.5mm時(shí)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)最小為0.88，此時(shí)電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩為860N·m。綜合考慮，選擇s1為3.5mm，此時(shí)電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩較大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最小。

3 電機(jī)有限元仿真分析

將不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)模型進(jìn)行仿真對(duì)比，得到轉(zhuǎn)矩、電流、磁密的對(duì)比圖。圖8為有凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)和無(wú)凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形對(duì)比圖。有凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩為840N·m，無(wú)凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩710N·m，兩者相比，有凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩增加了130N·m，但轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形

圖9為有凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)和無(wú)凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)電流波形對(duì)比圖。無(wú)凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)電流平均值為36.8A。有凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)電流平均值為40.4A，和無(wú)凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比電流平均值增加了3.6A。

圖9 電機(jī)電流波形

圖10為有凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)和無(wú)凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)磁密云圖。無(wú)凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)磁密基本處在1.5T左右，而有凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)磁密在1.7T左右，相較于無(wú)凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)磁密提高了約0.2T。

圖10 電機(jī)磁密云圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于AFSRM的工程問(wèn)題，將凸臺(tái)結(jié)構(gòu)引入電機(jī)轉(zhuǎn)子中，并研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響。主要結(jié)論如下：

(1)電機(jī)定子極弧系數(shù)αs和轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)αr越大，電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)越小。當(dāng)αs為0.52，αr為0.4時(shí)，電機(jī)能夠獲得較大的平均轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)。

(2)隨著轉(zhuǎn)子厚度hr的增加，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)逐漸減小。當(dāng)hr為26mm時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大。

(3)當(dāng)電機(jī)凸臺(tái)厚度h1超過(guò)14mm后，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩逐漸降低，且當(dāng)h1為12mm時(shí)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)最??；當(dāng)電機(jī)凸臺(tái)寬度s1為3.5mm時(shí)，輸出平均轉(zhuǎn)矩較大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最小。

(4)通過(guò)對(duì)比仿真無(wú)凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)和有凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)發(fā)現(xiàn)，有凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)能夠獲得更大輸出轉(zhuǎn)矩和電流，磁密也有所增加。根據(jù)仿真結(jié)果，有凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩相較于無(wú)凸臺(tái)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)提高了130N·m，電流平均值增加了3.6A，磁密提高了約0.2T。