王 萍，全 力，朱孝勇

(江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江212013)

0 引 言

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究較多的永磁電機(jī)大多是轉(zhuǎn)子永磁型［1］，即將電樞安裝在定子，永磁體置于轉(zhuǎn)子。然而這種結(jié)構(gòu)具有一定的局限性，同時(shí)永磁體位于轉(zhuǎn)子，冷卻條件差，散熱困難，限制了電機(jī)的出力，制約了電機(jī)性能的進(jìn)一步提高。為克服轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)的缺點(diǎn)與不足，將永磁體置于定子上，即定子永磁型電機(jī)。到目前為止，關(guān)于雙凸極永磁電機(jī)的本體設(shè)計(jì)、工作原理，電磁性能的分析及控制的研究成果較多［2－3］。而磁通切換電機(jī)既具備雙凸極永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適于高速運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，又具備了轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)空載磁鏈為雙極性等優(yōu)點(diǎn)，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于這方面的研究仍有許多的不足。

磁通切換電機(jī)具有功率密度高、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適合高速運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)［4－5］，它主要分為三大類:

一類是永磁式磁通切換電機(jī)，其氣隙磁場(chǎng)由永磁體建立;另一類是電勵(lì)磁式磁通切換電機(jī)，其空載氣隙磁場(chǎng)通過(guò)電樞繞組產(chǎn)生;第三類是混合式磁通切換電機(jī)，它同時(shí)存在兩個(gè)不同的磁勢(shì)源，永磁體在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)基本不變的磁通，通過(guò)改變勵(lì)磁繞組電流的方向和大小，使得氣隙中磁通發(fā)生變化。

目前，對(duì)于磁通切換電機(jī)的研究成果主要為本體電磁性能分析、工作原理分析、靜態(tài)特性分析、渦流損耗計(jì)算等方面。這些研究成果主要集中于對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)子式磁通切換電機(jī)的研究［4－5］，對(duì)于外轉(zhuǎn)子式磁通切換電機(jī)的研究國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。本文提出了以三相12/22 極外轉(zhuǎn)子式定子永磁型磁通切換電機(jī)為研究目標(biāo)，利用有限元軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行建模仿真，分析其電磁特性，并通過(guò)電磁－溫度場(chǎng)耦合的方法，建立電機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的聯(lián)合仿真，估測(cè)了電機(jī)在空載、額定運(yùn)行的情況下電機(jī)各部分的溫度分布情況，對(duì)電機(jī)計(jì)算所得的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證了本文提出的新型電機(jī)模型的正確性和有效性。

1 電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

三相外轉(zhuǎn)子式定子永磁型磁通切換電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。定轉(zhuǎn)子皆由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子為雙凸極結(jié)構(gòu)，位于定子外側(cè)，轉(zhuǎn)子上既無(wú)永磁體，也無(wú)繞組，永磁體嵌在定子鐵心內(nèi)，與空氣不直接接觸，繞組采用集中繞組，每4 個(gè)線圈串聯(lián)成一相繞組。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 磁通切換的原理

磁通切換是指繞組里匝鏈的磁通(磁鏈)會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)子的不同位置切換正負(fù)極性和數(shù)值大小。在一個(gè)轉(zhuǎn)子極距范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)著電機(jī)的一個(gè)電周期，磁通的數(shù)量會(huì)從最大變到最小，方向從進(jìn)入繞組到穿出繞組。依據(jù)“磁阻最小原理”，磁通都是通過(guò)磁阻最小的路徑閉合的。磁通切換電機(jī)工作原理如圖2 所示［6］，圖2(a)為永磁磁通沿著圖示箭頭的路徑從定子齒進(jìn)入與之相對(duì)齊的轉(zhuǎn)子極，圖2(b)中永磁磁通不變，但對(duì)繞組而言，路徑完全相反，為穿出轉(zhuǎn)子極而進(jìn)入定子齒。當(dāng)轉(zhuǎn)子在上述兩種位置之間不斷運(yùn)動(dòng)時(shí)，繞組中匝鏈的永磁磁通在正負(fù)最大值之間不斷變化，實(shí)現(xiàn)了所謂的磁通切換。

圖2 磁通切換原理

2 電機(jī)的電磁分析

2.1 磁場(chǎng)分布

由于電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電機(jī)中同時(shí)存在永磁體和電樞電流，其共同作用產(chǎn)生了氣隙磁場(chǎng)，故分析永磁體和電樞電流單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。圖3(a)為永磁體單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布，圖3(b)為0°轉(zhuǎn)子位置角只給A 相繞組通入直流電時(shí)磁場(chǎng)的分布。由圖3(a)可以看出，永磁體在內(nèi)部氣隙有一定的漏磁。因?yàn)橛来朋w為切向交替充磁，電機(jī)具有聚磁效應(yīng)，兩塊永磁體產(chǎn)生的磁通聚集在一起穿過(guò)氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子，這是該電機(jī)的氣隙磁密遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型永磁電機(jī)的原因。由圖3(b)可以看出，該位置時(shí)電樞磁通大部分進(jìn)入定轉(zhuǎn)子鐵心，穿過(guò)永磁體的磁力線很少。

圖3 磁場(chǎng)分布

圖4 為永磁磁場(chǎng)在氣隙上的分布波形，圖5 為電樞電流為額定電流10 A 及30 A 時(shí)的氣隙磁密分布波形。永磁磁密峰值接近1.7 T，電樞電流10 A及30 A 時(shí)，電樞磁密峰值分別為0.4 T 和1.5 T，可見(jiàn)即使電樞電流達(dá)到額定電流的3 倍時(shí)，其產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)仍不能和永磁磁場(chǎng)相比。

圖4 永磁氣隙磁密分布

圖5 電樞反應(yīng)磁密分布

2.2 電機(jī)空載特性

電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速750 r/min 下運(yùn)行，電機(jī)的空載特性如下。由圖6 的電機(jī)空載磁鏈波形可以看出，電機(jī)的磁鏈為雙極性正弦分布，與一般的雙凸極永磁電機(jī)的單極性分布不同。圖7 為電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)，圖8 為電機(jī)空載反電勢(shì)諧波分析，從中可以看出，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)接近于正弦波，對(duì)其進(jìn)行諧波分析，電機(jī)的諧波畸變率為4.96%，除了一次諧波較大，其余的高次諧波較小，基本可以忽略不計(jì)，說(shuō)明電機(jī)的反電勢(shì)正弦度很高。圖9 為電機(jī)的定位力矩波形，電機(jī)定位力矩很小，電機(jī)脈動(dòng)很小，運(yùn)行可靠。

圖6 空載磁鏈波形

圖7 電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)

圖8 反電勢(shì)諧波分析

圖9 定位力矩波形

3 電機(jī)的溫度分析

在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)各部分的溫度對(duì)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的可靠性和電機(jī)本身的壽命起著決定性的影響。故在電機(jī)設(shè)計(jì)的初始的階段，對(duì)電機(jī)本體的溫度分布進(jìn)行分析是十分必要的。對(duì)傳統(tǒng)的電機(jī)溫度場(chǎng)分析，一般采用熱路法或者是熱網(wǎng)絡(luò)法，通過(guò)假設(shè)和簡(jiǎn)化，最后形成經(jīng)驗(yàn)公式，其計(jì)算所得到的結(jié)果一般認(rèn)為是整個(gè)電機(jī)的平均溫度，計(jì)算結(jié)果并不能很好地體現(xiàn)出電機(jī)本體各部分的溫度情況。與此同時(shí)，在實(shí)際的電機(jī)運(yùn)行情況下，電機(jī)的整個(gè)運(yùn)行情況相當(dāng)復(fù)雜，其內(nèi)部各部分溫度分布也各不相同。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)行情況下的電機(jī)，對(duì)其進(jìn)行電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的多物理場(chǎng)耦合分析是十分重要的。本文首先在Maxwell 中對(duì)電機(jī)進(jìn)行建模仿真，得出相應(yīng)的損耗，再利用ANSYS Workbench 與Maxwell 聯(lián)合，進(jìn)行電機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果可以得出電機(jī)的每個(gè)部位的基本溫度的分布云圖，對(duì)計(jì)算所得出的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)果進(jìn)行比較分析，進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提出的電機(jī)模型的正確性和有效性。

3.1 溫度場(chǎng)計(jì)算方法

為簡(jiǎn)化電機(jī)溫度的計(jì)算，對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行一定的假設(shè):假定電機(jī)沿軸向方向是連續(xù)分布的，且電機(jī)軸向溫度的梯度為零。對(duì)電機(jī)進(jìn)行有限元分析，將熱力學(xué)的第一定律應(yīng)用到一個(gè)微元體上，二維溫度場(chǎng)的熱平衡微分方程表達(dá)式［7］:

對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱傳遞而言，溫度分布對(duì)于時(shí)間的變化率為零。熱平衡的微分表達(dá)式:

式(1)、式(2)中:λx，λy是材料沿x，y 兩個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)。

為求解上述方程，還需給定邊界條件。常見(jiàn)的邊界調(diào)節(jié)分為三類:

(1)溫度邊界條件:

(2)熱流邊界條件:

(3)對(duì)流換熱邊界條件:

式(3)～式(5)中:T0是邊界溫度;q0是熱源;Tf與α分別代表周圍介質(zhì)的溫度和邊界的散熱系數(shù)。

3.2 電機(jī)各部件的導(dǎo)熱系數(shù)、熱生率及散熱系數(shù)

求解時(shí)，將電機(jī)各部分均視為均質(zhì)發(fā)熱體，忽略軸向傳熱，即電機(jī)軸向各截面的溫度相等，材料各向同性。永磁體的導(dǎo)熱系數(shù)為15 W/(m·K)，硅鋼片的導(dǎo)熱系數(shù)為40 W/(m·K)，導(dǎo)線導(dǎo)熱系數(shù)為380 W/(m·K)。

電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生損耗，這些損耗大部分轉(zhuǎn)換成熱量，與周圍環(huán)境進(jìn)行換熱，最后達(dá)到溫度的穩(wěn)態(tài)平衡。電機(jī)的損耗可以分為銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗以及各種附加的損耗這四大類。

繞組銅耗:

電機(jī)的鐵耗pFe一般由渦流損耗pe和磁滯損耗ph組成。即:

式中:ph為磁滯損耗;pe為渦流損耗;Kh為磁滯損耗系數(shù);f 為磁場(chǎng)交變的頻率;Bm為氣隙磁密;Ke為渦流損耗系數(shù);Δ 為硅鋼片厚度;V 為鐵心的體積。

由于采用聯(lián)合仿真，可以由有限元軟件準(zhǔn)確計(jì)算出電機(jī)的鐵心損耗和永磁渦流損耗。由于機(jī)械損耗和各種附件損耗難以用場(chǎng)進(jìn)行精確的計(jì)算，并且在總的損耗中所占比例相對(duì)較小，故忽略不計(jì)。

生熱率的物理定義是單位時(shí)間內(nèi)單位體積中內(nèi)熱源的生成熱。

式中:W 為熱損耗;V 為材料體積。

電機(jī)內(nèi)部溫升的分析，除了需要對(duì)電機(jī)的損耗進(jìn)行精確的求解外，散熱系數(shù)的確定也是非常重要的。轉(zhuǎn)子切向方向的運(yùn)動(dòng)和定子圓周表面的阻滯影響了電機(jī)氣隙的冷卻。故電機(jī)氣隙的散熱系數(shù)可表示:

式中:ω 為氣隙平均風(fēng)速，v 為轉(zhuǎn)子表面旋轉(zhuǎn)速度。

3.3 結(jié)果和實(shí)驗(yàn)

由于電機(jī)屬于外轉(zhuǎn)子型，電機(jī)的轉(zhuǎn)子與空氣自然傳熱，散熱系數(shù)較大，故電機(jī)的轉(zhuǎn)子外側(cè)溫度最低。電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與定子間的氣隙存在對(duì)流換熱，故定子外側(cè)的溫度由于對(duì)流散熱，溫度相較于軸間溫度較低。由于永磁體嵌在定子鐵心上，樣機(jī)定子溫度分布近似于等溫分布，整個(gè)定子溫度差不大。圖10(a)為電機(jī)空載時(shí)的溫度分布，定子最高溫度51°C，圖10(b)為電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的溫度分布，定子最高溫度為114.2°C，此時(shí)已超過(guò)永磁體的最高溫度，永磁體會(huì)發(fā)生不可逆去磁。

圖10 溫度分布

若樣機(jī)發(fā)熱問(wèn)題較嚴(yán)重，長(zhǎng)期運(yùn)行將減少使用壽命。從仿真結(jié)果可看出，電機(jī)溫度最高處為定子，電樞繞組均勻分布在定子上，電機(jī)的主要損耗來(lái)自銅損。從負(fù)載時(shí)的仿真結(jié)果來(lái)看，樣機(jī)的最熱點(diǎn)溫度超過(guò)了永磁體的極限溫度，為了減少高溫對(duì)永磁材料性能的影響，因此解決樣機(jī)的發(fā)熱問(wèn)題尤為緊迫。一般可通過(guò)降低電機(jī)的損耗大小或者改善散熱條件等多種散熱方式來(lái)解決樣機(jī)的發(fā)熱問(wèn)題。圖11 為軸向強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻電機(jī)時(shí)的溫度分布，定子最高溫度為73.4°C，定子軸側(cè)溫度將降低明顯，最低溫度為51°C。對(duì)比有限元仿真結(jié)果可以看出，對(duì)電機(jī)軸向進(jìn)行通風(fēng)，電機(jī)的整體溫度有了明顯的降低。

圖11 軸向通風(fēng)溫度分布

為了驗(yàn)證仿真的合理性，在實(shí)驗(yàn)室中制作了1 kW 的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在相同的冷卻條件下，實(shí)測(cè)溫度與仿真溫度的比較如表1 所示。由表1 可以看出，除了電機(jī)運(yùn)行在15%的額定負(fù)載情況時(shí)，實(shí)測(cè)溫度和仿真結(jié)果基本接近。電機(jī)運(yùn)行在15%的額定負(fù)載情況時(shí)，仿真溫度要遠(yuǎn)高于實(shí)際溫度，主要是因?yàn)榉抡嬷须姍C(jī)的初始溫度設(shè)置比電機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)實(shí)際的溫度要高。

表1 實(shí)測(cè)溫度與仿真溫度相比較

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種新型的永磁磁通切換電機(jī)，詳細(xì)分析其結(jié)構(gòu)、工作原理及電機(jī)電磁特性，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。將電磁場(chǎng)及溫度場(chǎng)都考慮在電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用電磁－溫度場(chǎng)耦合仿真，得到電機(jī)的溫度分布。同時(shí)利用合理的通風(fēng)散熱方式，改善電機(jī)的發(fā)熱，比較仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度，其結(jié)果是基本接近的，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提出的電機(jī)模型的可行性和正確性。

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