6/4結(jié)構(gòu)磁通反向永磁電機(jī)設(shè)計及模擬

羅金桐 朱傳輝 梅從立 張國琴 彭濤 韓安太 姚瑋

(浙江水利水電學(xué)院電氣工程學(xué)院 浙江杭州 310018)

隨著我國科技水平的不斷發(fā)展與進(jìn)步，國家戰(zhàn)略稀土資源的開發(fā)成本不斷降低，回收利用率也逐步提高。永磁體材料應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)張和電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得永磁體成本有了本質(zhì)上的降低，永磁電機(jī)的領(lǐng)域和應(yīng)用有了更為廣闊的市場。永磁無刷電機(jī)根據(jù)永磁體布置位置可分為定子永磁型電機(jī)和轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)[1-3]。永磁電機(jī)可以分為以下幾種：同步電機(jī)、直流電機(jī)、磁阻電機(jī)和特種電機(jī)[4]。由無刷直流電機(jī)[5]和開關(guān)磁阻電機(jī)可以結(jié)合一種新型的定子永磁型無刷電機(jī)[6]。將永磁體安裝在電機(jī)定子軛部，且繞組纏繞于定子軛之間，而轉(zhuǎn)子側(cè)既沒有永磁體也不布置勵磁繞組，當(dāng)轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動經(jīng)過永磁體時，通過轉(zhuǎn)子齒部所形成磁通方向交替出現(xiàn)，即形成了磁通切換電機(jī)和磁通反向電機(jī)[7]。

傳統(tǒng)的永磁型電機(jī)磁場包括兩個部分，即位于定子側(cè)的繞組勵磁磁場和位于轉(zhuǎn)子側(cè)的永磁體磁場。但在實(shí)際工作過程中，由于轉(zhuǎn)子的高轉(zhuǎn)速摩擦空氣而產(chǎn)生的熱量，無法快速散去，使永磁體溫度過高，較高的溫度會增加永磁體的高溫失磁風(fēng)險，因此在電機(jī)設(shè)計時，不能根據(jù)實(shí)際用途而增加電機(jī)的功率密度，限制了其發(fā)展空間；永磁電機(jī)的固有缺陷即：不足的轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度使得電機(jī)的可靠性進(jìn)一步下降；尤其在故障狀態(tài)下，帶載能力明顯不足，應(yīng)對突發(fā)事件能力明顯不足[8-9]；磁通反向永磁（FRPM）電機(jī)與永磁體表貼式電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似，它的磁力線分布在氣隙之中[10]，同時也是一種定子永磁型電機(jī)，在定子內(nèi)側(cè)上面安裝永磁體，使安裝工藝和制作成本大為降低，更能有效降低電機(jī)氣隙長度，提高功率密度[11]。此外，永磁體產(chǎn)生的熱量可以通過定子鐵心直接傳送到機(jī)殼，散熱便利，有益于提高電流密度[12-13]。該文討論了磁通反向永磁電機(jī)的基本原理，以磁通反向?yàn)樘攸c(diǎn)對電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計，對電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)、永磁體布置方式、磁場的分布、相關(guān)參數(shù)的確定等進(jìn)行了研究和仿真模擬。

1 基本結(jié)構(gòu)與工作原理

FRPM電機(jī)的組成包括定子、永磁體、轉(zhuǎn)子及繞組等結(jié)構(gòu)，其中永磁體被安裝在定子的齒部，與轉(zhuǎn)子的齒端有一定的空隙，形成了氣隙，具體見圖1。根據(jù)相鄰永磁對應(yīng)端磁極的不同，F(xiàn)RPM 電機(jī)的永磁體布置方式有兩種：第一種是相鄰永磁體的對應(yīng)端磁極為同磁極（同為“N”極或同為“S”極），見圖1（a）；第二種布置方式為相鄰永磁體的對應(yīng)端磁極為異磁極（“N”極和“S”極成對出現(xiàn)），見圖1（b）。當(dāng)同一轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)過一個永磁體時，穿過轉(zhuǎn)子齒的磁通方向會發(fā)生變化，永磁磁通剛好反向，因此也就有了磁通反向的概念。無論何種充磁方式，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，都會引起線圈中的永磁磁通變化，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢[8-9]。

圖1 FRPM電機(jī)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 磁通反向電機(jī)的設(shè)計和分析

2.1 槽極配比的選擇

FRPM 電機(jī)的永磁體安裝位置為定子的齒部，因此定子齒的數(shù)量即為永磁個數(shù)，由于磁通反向的充磁特點(diǎn)以及綜合文獻(xiàn)分析，該設(shè)計選擇定子齒數(shù)量為6，即對應(yīng)的槽數(shù)和永磁體個數(shù)均為6。由于轉(zhuǎn)子齒對應(yīng)于永磁體的布置特點(diǎn)，因此選擇轉(zhuǎn)子齒為4個，形成了6/4結(jié)構(gòu)的FRPM電機(jī)。定子上有集中繞組，轉(zhuǎn)子上沒有繞組。電機(jī)定子的外徑設(shè)置為138 mm，定子內(nèi)徑為76 mm，永磁體厚度3 mm。該定子為6槽結(jié)構(gòu)，用相隔60°排列方式排布，永磁體安裝在定子面向的氣隙側(cè)。永磁體材料為釹鐵硼，該材料具有同等材料用量可提供更大的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子齒按照間隔90°來排布，轉(zhuǎn)子外徑75 mm，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑30 mm，疊長100 mm。

2.2 氣隙尺寸設(shè)計

FRPM 電機(jī)的氣隙是永磁體與轉(zhuǎn)子之間的位置，它的大小是由電機(jī)的裝配設(shè)計估算所決定的，氣隙過大會導(dǎo)致漏磁較多，過小又會導(dǎo)致磁飽和較強(qiáng)同時也會增加永磁體與轉(zhuǎn)子之間摩擦的概率。只有當(dāng)氣隙被控制在一個較為合理的數(shù)值時，才會使得電機(jī)的效率最大化并且也不影響工藝水平。

在小容量的電機(jī)中，氣隙太大了漏磁多、太小了在高速旋轉(zhuǎn)的過程中容易掃到定子壁，造成磨損影響電機(jī)壽命。通過不斷地進(jìn)行仿真試驗(yàn)，最終得出當(dāng)氣隙為0.5 mm 時，電機(jī)效率最高。因此，在該設(shè)計中氣隙為0.5 mm。

2.3 永磁體充磁設(shè)置

基于永磁體布置時形成的磁通反向的特點(diǎn)，永磁體位于定子槽側(cè)的充磁方向相同，當(dāng)轉(zhuǎn)子由靜止發(fā)生運(yùn)動時，永磁體發(fā)出的磁通穿過氣隙進(jìn)入定子的線圈繞組；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度的時候，永磁體磁通變成相反的方向，則磁通離開線圈，穿過氣隙沿著垂直氣隙的方向進(jìn)入轉(zhuǎn)子。

3 結(jié)果與分析

3.1 電機(jī)靜態(tài)磁場分析

為進(jìn)一步仿真分析電機(jī)電樞對電機(jī)性能的影響，仿真出了達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時電機(jī)的磁通密度，圖2 為靜態(tài)磁密分布圖，從中可以看出在穩(wěn)態(tài)時磁密的分布主要都在定子的軛部和轉(zhuǎn)子的齒部。圖3為靜態(tài)磁鏈的分布圖，從中可以看出有限元仿真得到雙極性變化的磁鏈在繞組中感應(yīng)出反電動勢，因?yàn)橛来朋w排布分布中就會出現(xiàn)磁通反向。通過對比分析可知，穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，電機(jī)內(nèi)部的磁密和磁鏈在定子軛部和轉(zhuǎn)子的齒部集中且均勻地分布。

圖2 靜態(tài)磁密分布

圖3 靜態(tài)磁鏈分布

3.2 轉(zhuǎn)子角度與電流的關(guān)系

圖4 為電感跟轉(zhuǎn)子角度與電流的關(guān)系，可以看成是一個向下的拋物線結(jié)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)子角度為30°時，則是一個拐點(diǎn)，此時電感最大。而在左側(cè)則電感隨轉(zhuǎn)子角度的減少而增加，在右側(cè)隨轉(zhuǎn)子角度的增大而減少。圖5為轉(zhuǎn)子角度、電流、磁鏈的相互關(guān)系，從圖5可以看到有兩個拐點(diǎn)，當(dāng)拐點(diǎn)為40°時，此時磁鏈最小。10°的時磁鏈最大，變化周期為60°，經(jīng)過分析可能因?yàn)槎ㄗ由系挠来朋w的排列也是按照相隔60°來排列的。

圖6為轉(zhuǎn)子角度和電流大小對轉(zhuǎn)矩的影響。當(dāng)轉(zhuǎn)子角度為30°時，轉(zhuǎn)子磁極與定子A相磁極重合電感最大，當(dāng)30°～60°時電感逐漸降低。磁鏈在30°與60°處于整個磁場中度水平，轉(zhuǎn)矩在30°和60°時出現(xiàn)了峰值轉(zhuǎn)矩，60°為轉(zhuǎn)矩與B相定子磁極重合。

圖6 轉(zhuǎn)子角度和電流大小對轉(zhuǎn)矩的影響

3.3 極弧系數(shù)的敏感性分析

設(shè)定電流為定值6 A，轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)brr 由0.3～0.6、定子極弧系數(shù)err 由0.5～0.65。通常，極弧系數(shù)的大小與氣隙磁通密度的分布情況有關(guān)，一般需在理論的基礎(chǔ)上再去選擇一個經(jīng)驗(yàn)值，該設(shè)計在極弧系數(shù)的0.5～0.7的范圍內(nèi)，選擇了0.5、0.55、0.6、0.65這4個數(shù)值進(jìn)行仿真驗(yàn)算，當(dāng)極弧系數(shù)為0.65 時，表現(xiàn)最好（平定波輸出）。在選定的4 個數(shù)值中，電流為常量，磁通隨著極弧系數(shù)的不斷增長而變大。隨著電機(jī)輸出變大極弧系數(shù)也會變大，這時會出現(xiàn)一個飽和點(diǎn)，使磁鏈不再隨極弧系數(shù)的增大而增大。

4 結(jié)語

基于開關(guān)磁阻電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)，永磁體布置在定子齒上，每個齒上分為N、S兩個充磁方向，分別對電機(jī)靜態(tài)磁密分布情況以及磁鏈分布進(jìn)行了仿真和分析，基于無刷電機(jī)以及開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，設(shè)計了FRPM 電機(jī)。采用6/4 雙凸極結(jié)構(gòu)的FRPM電機(jī)，定子內(nèi)徑為76 mm，永磁體厚度為3 mm，轉(zhuǎn)子外徑為75 mm，氣隙尺寸為0.5 mm，極弧系數(shù)為0.65。結(jié)果顯示：穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，定子軛部和轉(zhuǎn)子齒部集中且均勻的分布著磁密和磁鏈；轉(zhuǎn)子角度在0°～30°區(qū)間，電感隨電流的增加逐漸增加，且在30°的時電感最大。