沈月香，全 力，朱孝勇，彭雪辰

(江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江212013)

0 引 言

隨著新能源電動汽車的的出現(xiàn)，對電機(jī)本體的設(shè)計和驅(qū)動系統(tǒng)的要求也越來越高。傳統(tǒng)的直流電動機(jī)和異步電動機(jī)也被新型的永磁電動機(jī)所替代，磁通切換永磁電動機(jī)采用“開關(guān)磁阻電機(jī)+永磁體”結(jié)構(gòu)，使得該電機(jī)兼?zhèn)淞碎_關(guān)磁阻電動機(jī)和永磁電動機(jī)的優(yōu)點，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、功率密度高、適合高速運行等特點。

對于磁通切換電機(jī)的研究，國內(nèi)的浙江大學(xué)和東南大學(xué)較早就開展了對磁通切換電動機(jī)的研究。國內(nèi)外目前主要集中在12/10極、6/5極、6/4極、12/8極、8/6極等結(jié)構(gòu)上［1］，研究的主要方面有電機(jī)本體設(shè)計、電磁性能分析、電機(jī)優(yōu)化、諧波分析、損耗分析、弱磁擴(kuò)速運行的結(jié)構(gòu)與性能、控制系統(tǒng)等方面［2］。由于該電機(jī)是雙凸極結(jié)構(gòu)，使得定位力矩較大，關(guān)于此電機(jī)的優(yōu)化也大多集中在齒槽轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩等方面。

本文以三相12/22極磁通切換電機(jī)為研究目標(biāo)，參考12/10極內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)原始結(jié)構(gòu)模型設(shè)計，對電機(jī)的參數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)為電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和定位力矩。采用場路耦合法對電機(jī)及其控制系統(tǒng)進(jìn)行Maxwell－Simplorer瞬態(tài)聯(lián)合仿真，以驗證該結(jié)構(gòu)的可行性。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)與設(shè)計

12/22極外轉(zhuǎn)子磁通切換電機(jī)如圖1所示，定轉(zhuǎn)子采用雙凸極結(jié)構(gòu)，定子上裝有集中繞組，轉(zhuǎn)子無繞組，相對的四個定子齒上的繞組串聯(lián)成一相。

首先，通過計算與分析確定電機(jī)定轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)?；陔姍C(jī)的基本原理可知電機(jī)的定子齒數(shù)Ns和轉(zhuǎn)子極數(shù)Nr應(yīng)滿足的要求:

式中:n是非負(fù)整數(shù);m是電機(jī)相數(shù)。

本文中設(shè)定電機(jī)的定子齒數(shù)為12，結(jié)合式子(1)可得到Nr=12±2n。而n的取值關(guān)系到電機(jī)的利用率，不可過大或過小。該電機(jī)每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩的周期數(shù)由定轉(zhuǎn)子極數(shù)的最小公倍數(shù)G決定，定義，則齒槽轉(zhuǎn)矩的大小通常正比于K值大小。通常我們希望得到高的G值或低的K值。

三相內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)通常選用12/10的結(jié)構(gòu)，而外轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)徑大于定子外徑。所以，轉(zhuǎn)子的極數(shù)要大于定子齒數(shù)。結(jié)合上面的分析，在定子齒數(shù)Ns=12的條件下，選擇不同的轉(zhuǎn)子極數(shù)Nr，計算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同定轉(zhuǎn)子極數(shù)配合下的G和K值

從表中可看出，Nr=22時，可得到高的G值和低的K值。所以此電機(jī)設(shè)計結(jié)構(gòu)采用12/22結(jié)構(gòu)，由此可得到電機(jī)的基本模型，如圖1所示。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)的定轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)確定后，電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)可確定。目前外轉(zhuǎn)子電機(jī)的設(shè)計沒有具體的計算公式，只得根據(jù)內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計外轉(zhuǎn)子電機(jī)。磁通切換內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)“四個寬度尺寸相等”的設(shè)計理論同樣可應(yīng)用在外轉(zhuǎn)子電機(jī)的設(shè)計上，依據(jù)內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，計算外轉(zhuǎn)子電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，由此可確定外轉(zhuǎn)子電機(jī)最初的結(jié)構(gòu)模型。因而這個模型并不是通過精確的計算得到的，電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸不一定是最優(yōu)的，電機(jī)的性能也達(dá)不到最優(yōu)，所以還要在此基礎(chǔ)上對電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化［5］。利用Maxwell軟件對電機(jī)參數(shù)化建模，進(jìn)行有限元仿真，結(jié)合仿真的波形分析電機(jī)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩最大，轉(zhuǎn)矩脈動最小，得到最佳的電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸。電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)初值如表2所示。

表2 電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)初值

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

電機(jī)的初始結(jié)構(gòu)確定之后，還要通過有限元分析里的優(yōu)化模塊對電機(jī)的某些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使電機(jī)性能達(dá)到最佳狀態(tài)。首先，選擇對電機(jī)性能影響較大的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)先優(yōu)化，如轉(zhuǎn)子齒寬、氣隙、永磁體厚度等。主要優(yōu)化參數(shù)初始值及約束條件如表3所示。電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。

圖2 電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 電機(jī)的主要尺寸

根據(jù)表2中主要參數(shù)列表進(jìn)行優(yōu)化，可選擇一個或多個參數(shù)同時優(yōu)化，優(yōu)化的目標(biāo)就是使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大，而定位力矩越小越好。若選擇一個參數(shù)，即其他參數(shù)都不變，只有這個參數(shù)變化，優(yōu)化后選擇出使優(yōu)化目標(biāo)最優(yōu)的優(yōu)化值代替初始值;而若選擇多個參數(shù)同時優(yōu)化，即選中的幾個參數(shù)在約束條件范圍內(nèi)排列組合，最后可得到最優(yōu)的幾個參數(shù)組合。用這兩種方法都可達(dá)到優(yōu)化目的，本文選擇一次對一個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，下面就是各參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果。

由圖3～圖7中可以看出，除了轉(zhuǎn)子齒高，其余的參數(shù)均對平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動有很大的影響，從圖3中可以看出，平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動都隨著氣隙的增大而減小，而其他參數(shù)都是先增大后減小，而氣隙和永磁體厚度對定位力矩的影響較大。選取優(yōu)化值時應(yīng)優(yōu)先選擇轉(zhuǎn)矩較大的;與此同時，還要考慮定位力矩和轉(zhuǎn)矩脈動的要求。對永磁體厚度的選擇，還要考慮到永磁體的利用率和氣隙磁密的大小，氣隙的選取要考慮過飽和問題。優(yōu)化值選取如表4所示。

圖3 氣隙對定位力矩、平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動的影響

圖4 轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)對定位力矩、平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動的影響

圖5 定子極弧系數(shù)對定位力矩、平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動的影響

圖6 永磁體厚與極距比對定位力矩、平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動的影響

圖7 轉(zhuǎn)子齒高與轉(zhuǎn)子極距比對定位力矩、平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動影響

表4 優(yōu)化結(jié)果比較

優(yōu)化后電機(jī)的優(yōu)化目標(biāo)定位力矩、平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動均有了改變，電機(jī)的性能得到較大的提高。如圖8、圖9所示。

從圖8可以看出電機(jī)的定位力矩顯著下降，上下波動幅度也明顯減小，提高了電機(jī)的起動性能。而從圖9可以看出電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩得到較大的改善，轉(zhuǎn)矩脈動明顯減小。為衡量轉(zhuǎn)矩特性，定義轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù):

式中:Tmax、Tmin分別為電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩;Tave為平均轉(zhuǎn)矩。具體數(shù)值比較如表5所示。

圖8 優(yōu)化前后電機(jī)定位力矩波形

圖9 優(yōu)化前后電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形

表5 優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)比較

3 電機(jī)控制系統(tǒng)

磁路—電路多物理場瞬態(tài)聯(lián)合仿真即Maxwell和Simplore軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真［14］，這主要是考慮到電路和磁路的耦合性，所以我們要對電機(jī)性能進(jìn)行進(jìn)一步分析。先利用Maxwell軟件對電機(jī)電磁性能分析，再聯(lián)合Simplore軟件加上電機(jī)驅(qū)動和控制電路，兩者實現(xiàn)無縫連接，進(jìn)行瞬態(tài)聯(lián)合仿真。此方法可有效提高仿真精度，實現(xiàn)新型電機(jī)控制系統(tǒng)仿真性能。

在瞬態(tài)聯(lián)合仿真模型中，驅(qū)動電路采用各相相互獨立的全橋功率變換器，控制電路采用閉環(huán)控制電路和正弦脈寬調(diào)制技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)電路圖如圖10所示。

圖10 控制系統(tǒng)電路圖

電路控制原理如下:檢測電機(jī)的位置，給電路通入三相電流，測量電流和參考電流之間的誤差與滯環(huán)進(jìn)行比較，如果電流誤差在滯環(huán)內(nèi)，則PWM輸出保持不變;如果電流誤差超出滯環(huán)帶，PWM會輸出一個反向的作用，將這個PWM送給功率變換電路的負(fù)半周IGBT，將PWM取反加1送給正半周IGBT。

直流側(cè)電壓Udc=440 V，滯環(huán)參考電流為10 A，電機(jī)轉(zhuǎn)速為750 r/min時，得到電流和轉(zhuǎn)矩波形，如圖11～圖12所示。

圖11 電機(jī)三相斬波電流

圖12 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

從圖12可以看出，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩從零上升，很快上升到穩(wěn)定狀態(tài)，電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩20.664 6 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動為19.35%，可以看出電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩理論值和仿真計算結(jié)果基本一致。圖13是在已搭建好的實驗平臺上測出的實驗波形，得到電機(jī)在正常運行狀態(tài)下電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流實驗波形，實驗波形的輸出轉(zhuǎn)矩平均值為20.587 3 N·m。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致，說明了樣機(jī)設(shè)計的正確和合理性。

圖13 正常運行狀態(tài)下電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩(截圖)

4 結(jié) 語

本文參考磁通切換內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，設(shè)計了一種新型的12/22極外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)。計算分析定轉(zhuǎn)子齒槽匹配數(shù)，利用Maxwell對電機(jī)有限元仿真，優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，從而減小定位力矩，提高輸出轉(zhuǎn)矩，提高了電機(jī)運行性能。通過多物理場瞬態(tài)聯(lián)合仿真對電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行研究，并結(jié)合實驗波形驗證了該電機(jī)設(shè)計的正確性和控制策略的合理性。

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