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新型永磁游標電機的設計與研究

2020-01-22 00:52:45·  來源：EDC電驅未來  
　
本文提出一種雙定子中間轉子游標電機，建立了其二維有限元模型，分析其工作原理，研究了結構參數(shù)對電機性能的影響并進行了優(yōu)化設計及電磁分析，驗證了該電機的低
本文提出一種雙定子中間轉子游標電機，建立了其二維有限元模型，分析其工作原理，研究了結構參數(shù)對電機性能的影響并進行了優(yōu)化設計及電磁分析，驗證了該電機的低速大轉矩特性。
1 電機結構與原理
電機結構
圖1為所提出電機的結構示意圖，表1為其設計數(shù)據(jù)。圖2為此游標電機的裝配示意圖。繞有電樞繞組的內定子安置于端蓋延伸出的基座上，基座內側空間放置輸出轉軸，外定子置于機殼的內側壁上。轉子如圖3所示，其為磁鋼與籠條的復合結構。其中，籠條使用的是具有一定機械強度的非導磁材料，既承擔固定磁鋼組成傳動構件又起到隔磁的作用?；\條的軸向長度長于磁鋼，兩端由端環(huán)固定，端環(huán)上開有螺孔，以便與轉軸固定連接。圖4為該電機拆分圖，為便于清晰的體現(xiàn)電機結構，圖中沒有給出轉軸及端環(huán)，籠條軸向尺寸也僅取與磁鋼長度相同的部分。
圖1 游標電機二維模型
Fig.1 2D model of vernier motor
表1 游標電機參數(shù)參數(shù)
Table 1 Design parameters of the proposed motor
 
圖2 游標電機剖面示意圖
Fig.2 Sectional view of vernier machine
圖3 游標電機轉子結構示意圖
Fig.3 Stucture of vernier motor rotor
圖4 游標電機拆分圖
Fig.4 Spilt diagram of vernier motor
工作原理
游標電機與永磁齒輪都是基于磁通調制原理而工作的，其設計原則也相似。永磁齒輪由高速內轉子、調磁環(huán)、低速外轉子組成，游標電機用高速旋轉的電樞磁場代替高速內轉子，經(jīng)定子齒的磁通調制作用，完成低速大轉矩輸出。
游標電機中轉子磁極對數(shù)、定子磁極對數(shù)、定子齒數(shù)和轉速之間的關系為：
(1)
其中：p是內定子電樞繞組產(chǎn)生的磁極對數(shù)，ns是游標電機定子齒數(shù)。磁密空間諧波的旋轉角速度為
(2)
當m=1，k=-1時經(jīng)由定子齒調制后的氣隙諧波磁場最強，電樞磁場與轉子磁場具有相同的電角速度，二者轉速按照一定的比例運轉。因此，可得轉速比為
(3)
這里，選擇內定子極對數(shù)為2對極，定子齒數(shù)為24個，轉子磁極為22對，調速比為-11/1，負號表示電機轉向與定子磁場轉向相反。
2 參數(shù)影響及優(yōu)化設計
在電機設計的發(fā)展過程中，磁路法一直受到設計者的青睞，但對于游標電機來說，其結構相對復雜，使用傳統(tǒng)的磁路分析十分困難，而采用有限元法進行分析與優(yōu)化設計是解決這一問題很好的途徑。由于定子齒是引起定轉子不同極的原因，其結構參數(shù)對電機性能影響較大，這里對定子齒進行優(yōu)化。
2.1 定子齒寬優(yōu)化
游標電機中，具有磁通調制作用的定子齒的周向寬度對電機的轉矩等運行性能等有較大的影響。如圖5所示，以內定子為例，定義一個齒槽為一個磁通調制單元，其中定子槽周向寬度對應的圓心角為θ1,定子齒對應的圓心角為θ2。因此，定子齒寬度在周向所占比例可由下式計算
(4)
取內外定子齒寬度在周向所占比例為控制變量，維持其余結構參數(shù)不變進行優(yōu)化分析，游標電機的輸出轉矩隨該比例變化關系如圖6所示。從圖中可以看出，在內定子齒周向所占比例為45%、外定子齒周向所占比例為35%時，得到的穩(wěn)態(tài)輸出轉矩最大。
2.2 定子齒高的優(yōu)化
確定定子齒寬度后，以內外定子齒徑向高度為變量進行優(yōu)化，所得輸出轉矩隨該變量變化關系如圖7所示。
圖5 游標電機調制單元示意圖
Fig.5 View of flux modulation unit
圖6 輸出轉矩隨定子齒寬度變化曲線
Fig.6 Curve of output torque variety with the width of stator teeth
圖7 輸出轉矩隨定子齒高度變化曲線
Fig.7 Curve of output torque variety with the height of stator teeth
由圖中可以看出，在內定子齒高為11 mm，外定子齒高為6 mm時，電機轉矩輸出最大，其值為77 N·m。
3 電磁性能分析
3.1 磁場分析
對優(yōu)化后的游標電機的空載及負載工況進行了有限元分析，圖8為其空載磁力線分布圖?？蛰d時，轉子磁力線經(jīng)由內外定子齒分別進入到內外定子軛中。因為轉子為22對極且定子齒為24個，根據(jù)磁通調制原理，內外定子處將產(chǎn)生4極旋轉磁場。
圖8 空載磁力線分布
Fig.8 Flux lines distribution of no_load
圖9為10 A負載時的磁力線分布圖。負載時，電樞及外定子處均為4極磁場，磁通經(jīng)由內外定子齒的調制作用，在兩側氣隙中產(chǎn)生與轉子磁極對數(shù)相等的同向旋轉磁場，拖拽轉子磁極。相比只能在一側與轉子磁極相互作用的單氣隙電機，提高了磁鋼利用率，增強了電機轉矩輸出能力。
圖9 負載磁力線分布
Fig.9 Flux lines distribution of on_load
圖10為10 A負載時磁密云圖。由圖可知，電機飽和程度不高，可以適當?shù)脑龃箅姌须娏鲝亩@得更大轉矩輸出。
圖11(a)、圖11(b)為空載時電機內側徑向氣隙磁密及其諧波分析，圖11(c)、圖11(d)為電機外側徑向氣隙磁密及其諧波分析。從分析的結果可以看出，由于轉子磁極為22對，在內外側氣隙中均為22對極磁場最強，其他次磁場相對較弱。
圖10 負載磁密云圖
Fig.10 Magnetic filed distribution of on_load
3.2 反電勢分析
圖12為此游標電機的空載反電勢波形。
取A相一個周期進行諧波分析，結果如圖13所示。其中，游標電機的基波幅值為230 V，3次諧波幅值為7.7 V，其他次諧波基本為0。由諧波畸變率計算公式(5)可得空載反電勢諧波畸變率為3.316%，反電勢波形正弦度高，有利于電機穩(wěn)定運行。
THD=(Unrms/U1rms)×100%。
 
(5)式中：THD為諧波總畸變率；Unrms為諧波含量的方均根值；U1rms為基波的方均根值。
3.3 齒槽轉矩分析
齒槽轉矩是永磁電機繞組不通電時永磁體和鐵心之間相互作用產(chǎn)生的轉矩，是由永磁體與電樞齒間的相互作用力的切向分量的波動引起[15]。齒槽轉矩周期為
(6)
其中：Tcog為齒槽轉矩周期，LCM(z,2p)表示永磁電機極數(shù)與槽數(shù)的最小公倍數(shù)，其數(shù)值越大，齒槽轉矩的周期越小，轉矩幅值越小。
圖14為電機轉子轉過12度的齒槽轉矩曲線。游標電機由于其特殊的定子齒槽結構，與常規(guī)永磁電機相比，定子槽數(shù)增加一倍，若選擇合適的電機極數(shù)，將增大該電機極槽配合的最小公倍數(shù)，對齒槽轉矩有一定程度的抑制作用。
圖11 內外側氣隙磁密及諧波分析
Fig.11 Flux density and harmonic analysis of inner and outer air gap
圖12 空載反電勢曲線
Fig.12 Curve of no_load electromotive force
圖13 A相空載反電勢諧波分析
Fig.13 Harmonic analysis of A phase no_load electromotive force
圖14 齒槽轉矩曲線
Fig.14 Curve of cogging torque
3.4 轉矩及功率因數(shù)分析
圖15為該電機在輸入電流為2 A至12 A下所對應的的輸出轉矩及功率因數(shù)曲線。由圖中可以看出，轉矩隨輸入電流的增大而增大，功率因數(shù)則為下降趨勢。
圖15 轉矩及功率因數(shù)與輸入電流的關系
Fig.15 Relationship of torque and corresponding power factor with current
圖16為電機在輸入電流為10 A時所對應的轉矩曲線，輸出轉矩平均值為77 N·m，峰-峰值為1 N·m，轉矩波動小，實現(xiàn)了電機低速大轉矩輸出。
圖16 輸出轉矩曲線
Fig.16 Curve of output torque
 
4 結 論
本文提出了一臺新型永磁游標電機，利用有限元軟件建立了該電機二維模型，對影響電機性能較大的結構參數(shù)進行了優(yōu)化設計，并對優(yōu)化后的電機進行了電磁分析，得到以下結論：
1)本文所提出電機轉子為22對極，定子齒為24個，通過磁通調制作用，在內外定子處均產(chǎn)生了4極磁場，證明了理論分析的正確性。
2)對電機定子齒的寬度、高度及其配比進行優(yōu)化設計，發(fā)現(xiàn)在內定子齒寬為45%、齒高為11 mm；外定子齒寬為35%、齒高為6 mm時電機輸出轉矩最大。
3)對電機A相空載反電勢進行諧波分析，結果顯示其基波含量大，諧波總畸變率低，反電勢正弦度高，有利于降低電機的轉矩波動，使其穩(wěn)定運行。
4)該電機齒槽轉矩進行了分析，發(fā)現(xiàn)其齒槽轉矩較小，周期為同條件下12槽電機的一半，證明由于游標電機特殊定子齒槽結構，減小了轉矩周期，對齒槽轉矩幅值有所削弱。
5)電機輸出端的轉速為電樞磁場轉速的1/11，不需要額外的減速傳動機構，相對于常規(guī)直驅電機在同轉矩情況下體積大幅減小， 十分適用于電動汽車等直接驅動場合。
 
 
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