劉 婷，黃守道，王家堡，劉 雄，饒志蒙，郭燈塔

(1.湖南大學，長沙410082;2.海上風力發(fā)電技術(shù)與檢測國家重點實驗室，湘潭411101)

0 引 言

國內(nèi)外對雙轉(zhuǎn)子電機進行了一些研究，主要有雙轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機、盤式雙轉(zhuǎn)子永磁電機以及徑向雙轉(zhuǎn)子電機。雙轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機有內(nèi)外轉(zhuǎn)子鼠籠中間定子結(jié)構(gòu)以及最外面為定子繞組，兩個轉(zhuǎn)子在里面的結(jié)構(gòu)。研究較多的盤式雙轉(zhuǎn)子永磁電機結(jié)構(gòu)一般可以看作共用一個定子的兩個軸向磁場永磁電機的合成。而本文研究的電機結(jié)構(gòu)為徑向雙轉(zhuǎn)子電機。最先提出這種電機結(jié)構(gòu)的是Thomas A.Lino 等人。與盤式雙轉(zhuǎn)子永磁電機結(jié)構(gòu)相似，只是徑向雙轉(zhuǎn)子的磁場與轉(zhuǎn)軸垂直，電機也可以看作是外面一臺外轉(zhuǎn)子電機和里面的一臺內(nèi)轉(zhuǎn)子電機徑向疊在一起共用中間的定子的一種復(fù)合式電機，與普通電機相比多了一個轉(zhuǎn)子，電機具有更高的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度。文獻［1－4］對定子有齒槽結(jié)構(gòu)的軸向磁通以及徑向磁通雙轉(zhuǎn)子電機進行了相關(guān)的研究。而本文在此基礎(chǔ)上研究了一種無鐵心雙轉(zhuǎn)子永磁同步電動機。與常規(guī)電機相比，永磁無鐵心電機具有體積小重量輕、高效節(jié)能、調(diào)速性好、可靠性強等特點［5］。采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)可以有效地利用電機的內(nèi)部空間，顯著地提高了電機材料利用率與轉(zhuǎn)矩密度，雙轉(zhuǎn)子電機與常規(guī)永磁電機不同，具有2 個機械軸，能夠?qū)崿F(xiàn)雙軸能量傳遞。因此，無鐵心雙轉(zhuǎn)子永磁同步電動機可應(yīng)用于在無級變速器、電動汽車等領(lǐng)域、某些適合外轉(zhuǎn)子電機的場合以及要求高效率轉(zhuǎn)矩密度的場合［6］。

本文設(shè)計了一臺額定功率380 W 的無鐵心雙轉(zhuǎn)子復(fù)合結(jié)構(gòu)電動機，并通過有限元仿真軟件，建立模型，進行磁場仿真，研究其空載負載性能。

1 基本結(jié)構(gòu)及原理

雙轉(zhuǎn)子電機根據(jù)內(nèi)外轉(zhuǎn)子上的永磁體不同的排列，即當內(nèi)外轉(zhuǎn)子上相對的永磁體磁化方向相同或相反時，電機可構(gòu)成兩種不同的磁路形式。內(nèi)外轉(zhuǎn)子相對的磁極分別為N、S 極，磁化方向相同。內(nèi)外轉(zhuǎn)子相對的磁極磁化方向相反。當內(nèi)外轉(zhuǎn)子相對的磁極磁化方向相同，即內(nèi)轉(zhuǎn)子的N 極正對著外轉(zhuǎn)子上的S 極，內(nèi)轉(zhuǎn)子的S 極則對著外轉(zhuǎn)子上的N 極時，磁通經(jīng)過外轉(zhuǎn)子、氣隙、定子、氣隙、內(nèi)轉(zhuǎn)子、氣隙、定子回到外轉(zhuǎn)子，磁通直接穿過定子，不需要定子軛部，因此可以省去定子鐵心，做成無鐵心定子結(jié)構(gòu)，即本文研究的雙轉(zhuǎn)子無鐵心永磁同步電動機結(jié)構(gòu)。如圖1 所示。

圖1 雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機結(jié)構(gòu)圖

本文研究的雙轉(zhuǎn)子永磁同步電動機內(nèi)外兩個轉(zhuǎn)子，內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間為公用的無鐵心定子。主要包括外轉(zhuǎn)子鐵心、外轉(zhuǎn)子永磁體、無鐵心定子繞組、內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體、內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心，定子繞組與內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間分別為內(nèi)外氣隙。內(nèi)外轉(zhuǎn)子端部固定在一起，同軸旋轉(zhuǎn)。定子為無鐵心結(jié)構(gòu)，即沒有齒槽，因此定子繞組不是繞在定子齒槽上，而是用漆包線繞成多個串聯(lián)線圈沿著電機圓周方向按照電相角均勻分布固定，繞組位置確定后通過環(huán)氧樹脂澆鑄定型并將繞組固定在定子上。轉(zhuǎn)子采用表貼式結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子磁極與套環(huán)粘接。電機結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

本文采用釹鐵硼(NdFeB)永磁材料，表1 為其主要參數(shù)。

表1 釹鐵硼材料主要參數(shù)

2 電機模型的建立

為了研究無鐵心雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步電動機性能，本文首先對兩種結(jié)構(gòu)的電機進行了初步設(shè)計，得到了相應(yīng)的設(shè)計方案。這里兩種結(jié)構(gòu)電機的設(shè)計方案功率相同，長度一樣，永磁體都采用釹鐵硼永磁材料，如表1 所示。電機主要參數(shù)如表2 所示。兩種電機磁密、熱負荷等也想近，從而保證了兩種結(jié)構(gòu)電機的性能對比效果。

表2 方案主要設(shè)計參數(shù)

3 有限元電磁場分析

3.1 空載特性分析

無鐵心雙轉(zhuǎn)子永磁電機有內(nèi)外兩個轉(zhuǎn)子，氣隙比較大，因此，與普通電機相比，繞組通電后電樞反應(yīng)引起的磁場變化要小得多。本節(jié)對設(shè)計的雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機用有限元方法進行了仿真分析，得到空載時電機的磁場分布，如圖2 所示。

圖2 磁力線與磁通分布

可以看出，兩種結(jié)構(gòu)的電機磁力線都是對稱規(guī)律分布，有一定的漏磁，相鄰磁極的磁力線組成閉合路徑。由于電機的結(jié)構(gòu)不同，兩種電機磁路路徑也是不同的。常規(guī)電機經(jīng)過定子鐵心、氣隙、永磁體、轉(zhuǎn)子鐵心這幾個路段組成閉合路徑。而無鐵心雙轉(zhuǎn)子電機則沒有了定子鐵心這一路段，但是有兩個永磁體與轉(zhuǎn)子鐵心。兩個轉(zhuǎn)子上的永磁體串聯(lián)提供氣隙磁通，主磁通同時經(jīng)過內(nèi)外轉(zhuǎn)子而閉合。雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機氣隙比常規(guī)電機大很多，永磁體用量也比常規(guī)電機多。

對常規(guī)電機以及雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機空載情況下的有限元空載仿真分析，得到兩種結(jié)構(gòu)電機的空載感應(yīng)電勢波形如圖3 所示。常規(guī)電機空載感應(yīng)相電壓有效值約為11.49 V，雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機空載感應(yīng)相電壓有效值分別為10.92 V，兩者幅值大小接近。從圖中可以看出，常規(guī)電機的空載感應(yīng)電壓波形頂部有諧波引起的鋸齒狀。而雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機則明顯平滑得多。

圖3 空載電勢波形

3.2 負載特性分析

對雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機以及常規(guī)電機通過有限元方法進行負載仿真分析。圖4 為雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機以及常規(guī)電機空載以及負載情況時一極氣隙處圓周方向的磁密分布。對比圖形可以看出，常規(guī)電機氣隙磁密頂端有明顯的齒狀波形，這是由于定子齒槽的影響使氣隙磁阻不均勻，更多的磁力線沿著磁阻小的路徑從定子齒進入定子造成。而雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機氣隙磁密頂端較平滑，這是由于電機定子無鐵心結(jié)構(gòu)的影響。雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機以及常規(guī)結(jié)構(gòu)電機空載磁密最大處為0.74 T 和0.82 T。另外，從圖中可以看出，常規(guī)電機負載氣隙磁密因電樞反應(yīng)發(fā)生畸變較為明顯，而雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機負載時氣隙磁密卻沒有那么大的變化。

圖4 氣隙磁密分布

圖5 為雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機以及常規(guī)電機輸出轉(zhuǎn)矩對比波形。雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機內(nèi)外轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)矩分別為2.67 N·m 與2.6 N·m，雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機的轉(zhuǎn)矩由內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩疊加得到。常規(guī)電機的轉(zhuǎn)矩為5.29 N·m，兩種結(jié)構(gòu)電機負載轉(zhuǎn)矩相當，輸出功率均達到380 W。

圖6 為兩種結(jié)構(gòu)電機負載情況下的繞組電流波形。電機電壓輸入均為24 V 交流電。從圖中可以看出，常規(guī)電機電流為11.9 A。雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機繞組電流11.7 A?？梢钥闯?，雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機繞組電流較小。對電流電壓進行后處理，計算得到兩種結(jié)構(gòu)電機輸入功率分別為438.36 W 與458.18 W?？梢婋p轉(zhuǎn)子電機的效率較高。

圖6 負載情況下的負載電流波形

4 結(jié) 語

本文對雙轉(zhuǎn)子無鐵心永磁同步結(jié)構(gòu)的電機以及常規(guī)電機進行設(shè)計與有限元仿真，對電機的性能特點進行了分析與對比。由有限元計算結(jié)果來看，雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機空載感應(yīng)電壓波形較好，性能良好可行，同時雙轉(zhuǎn)子無鐵心永磁結(jié)構(gòu)電機具有重量輕、效率高、損耗低的特點，對于提高電動機效率，節(jié)約能源與保護環(huán)境具有重要意義。由于雙轉(zhuǎn)子無鐵心電機有其自身特點，與常規(guī)電機有一定區(qū)別，它的最優(yōu)設(shè)計方法有待進一步研究。

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