周守勇，劉 欣，隋修武，聶 嶺

(天津工業(yè)大學，天津 300387)

0 引 言

永磁電機因其良好的性能成為高功率密度和高效率電機的代表，在國民經濟、軍事工業(yè)和航空航天等各個方面得到了廣泛應用［1－4］。隨著電機系統(tǒng)的不斷發(fā)展，為減少結構復雜和體積笨重的變速箱系統(tǒng)，以簡化生產機械的結構，在要求輸出低轉速和高轉矩的領域，對于新型電機的設計提出了新的要求。

混合勵磁電機在結構上能夠實現(xiàn)調節(jié)與控制氣隙磁場的性能，與傳統(tǒng)永磁電機通過電樞電流矢量控制實現(xiàn)弱磁或增磁有所區(qū)別，其結構可有多種實現(xiàn)方式?；旌蟿畲烹姍C不僅具有永磁電機的很多特點，而且具有氣隙磁場平滑可調的優(yōu)點［5－6］?；旌蟿畲懦h(huán)面電動機是一種新型空間電機，其勵磁方式是通過內定子電勵磁和環(huán)面外定子永磁勵磁相結合實現(xiàn)的，它在結構上將行星傳動和蝸桿傳動引入電機設計，從而實現(xiàn)了動力裝置與減速機構的結合，這不僅能獲得較大的減速比，而且簡化了電氣傳動系統(tǒng)，使系統(tǒng)更加緊湊。在航空、航天、軍事和車輛等結構要求較為緊湊的領域，有著廣闊的應用前景。

1 基本結構和特點

混合勵磁超環(huán)面電動機的結構簡圖如圖1所示，其定子包括蝸桿內定子和環(huán)面外定子，其中蝸桿內定子鐵心是由硅鋼片疊壓制成，鐵心表面均勻分布有螺旋型電樞槽，槽內安放電樞線圈以形成旋轉磁場。環(huán)面外定子是由若干個永磁體制成的空間螺旋梁組成。該電機的轉子是與行星輪固連的行星架轉子，其中行星輪位于內外兩個定子的中間，且每個行星輪上均布N、S極相間的永磁齒，磁齒是由高磁性稀土材料制成。

圖1 超環(huán)面電動機結構簡圖

當蝸桿內定子繞組通入三相交流電后，蝸桿內定子產生的電樞磁場和環(huán)面外定子永磁場的磁場力共同作用使得行星輪在自轉的同時發(fā)生公轉，由于每個行星輪的中心軸固聯(lián)在行星架轉子上，行星輪的公轉會帶動行星架轉子發(fā)生轉動，從而實現(xiàn)轉矩輸出。混合勵磁超環(huán)面電動機在運轉過程中，會在三個平面內發(fā)生三個方向的圓周運動，同時，它兼?zhèn)淞诵行莻鲃咏Y構緊湊、傳動比范圍廣的優(yōu)點和環(huán)面電磁嚙合點多的優(yōu)點［7］，能夠實現(xiàn)低速大轉矩。

2 結構參數(shù)分析

2.1 減速原理

實際工作時環(huán)面外定子固定不動，即外定子旋轉角速度ω3=0;蝸桿內定子旋轉磁場的角速度為ω1;行星輪旋轉角速度為ω2;行星架轉子的旋轉角速度為ωH。采用輪系分析中常用的方法——轉化機構法，給整個電機傳動系統(tǒng)加上虛擬公轉角速度－ωH，則電機傳動系統(tǒng)轉化為定軸輪系。

把式(1)和式(2)聯(lián)立，可得該超環(huán)面電動機實現(xiàn)的減速比:

式中:a和b為方向參數(shù)，絕對值均為1。a，b取值與蝸桿內定子電樞槽和環(huán)面外定子螺旋磁齒的旋向有關，旋向相同取“－1”，相反取“+1”。當極對數(shù)p取定值時，系統(tǒng)傳動比的大小由環(huán)面外定子的齒數(shù)z3決定，由于z3變化范圍較大，所以該超環(huán)面電動機可獲得的減速比范圍較大。

2.2 結構參數(shù)關系

考慮該超環(huán)面電動機的輸出性能，行星輪磁齒數(shù)z2的選取要使行星輪在蝸桿內定子環(huán)面包角范圍內參與磁嚙合的磁齒數(shù)盡可能多。為了保證行星輪與內外定子的磁嚙合關系，行星輪個數(shù)的確定需滿足一定的裝配要求。

由于行星輪同時與蝸桿內定子磁場和環(huán)面外定子磁齒嚙合，可將環(huán)面外定子齒數(shù)分為2p部分，由于環(huán)面外定子齒是由N、S極相間的永磁體構成，若在每一部分當中增加磁齒數(shù)，則必須以成對的N、S極加入，故環(huán)面外定子齒數(shù)需滿足:

由式(5)可知，環(huán)面外定子齒數(shù)是由蝸桿內定子的極對數(shù)來決定，隨著蝸桿內定子極對數(shù)的增加，環(huán)面外定子齒數(shù)成倍地增加。結合式(3)知，環(huán)面外定子齒數(shù)和蝸桿內定子極對數(shù)與超環(huán)面電動機減速比之間的關系如圖2所示。由圖2可以看出，當蝸桿內定子極對數(shù)一定時，超環(huán)面電動機的減速比隨著環(huán)面外定子磁齒數(shù)的增加而增加;要得到某一減速比時，蝸桿內定子極對數(shù)越少，環(huán)面外定子的磁齒數(shù)就越小;當采用改變蝸桿電樞繞組極對數(shù)的方法進行調速時，環(huán)面外定子的磁齒數(shù)越大，可獲得的調速范圍就越大。

圖2 定子參數(shù)與減速比之間的關系

混合勵磁超環(huán)面電動機內外定子與行星輪磁齒間的氣隙十分關鍵，氣隙的大小直接影響該電機的磁勢。氣隙略大，超環(huán)面電動機的輸出力矩會明顯下降，當氣隙增大到一定數(shù)值時，行星輪磁齒會出現(xiàn)失步現(xiàn)象。若氣隙過小，由于加工精度使得該電機的裝配困難，以致發(fā)生內外定子與行星輪磁齒之間發(fā)生相擦的現(xiàn)象，同時也會使氣隙磁導諧波分量增加，引起該電機運轉過程中的振動和噪聲，所以該超環(huán)面電動機的氣隙大小選擇0.5～1 mm。

3 定子設計

3.1 定子齒槽軌跡線

要實現(xiàn)行星輪磁齒與蝸桿內定子產生的旋轉磁場和環(huán)面外定子螺旋磁齒間的完全嚙合，蝸桿內定子電樞槽與環(huán)面外定子永磁齒需滿足一定的參數(shù)關系?，F(xiàn)以蝸桿內定子的幾何中心為坐標原點，蝸桿內定子軸為y軸，建立定子螺旋軌跡坐標系，如圖3所示。

由圖3可得，蝸桿內定子電樞槽軌跡線上任意點 p1(x，y，z)的方程:

圖3 定子螺旋軌跡坐標系

式中:R為蝸桿內定子環(huán)面半徑;a為蝸桿內定子與行星輪的中心距;β1為點p1與其所在截圓中心連線與平面xoy的夾角;α1為p1點所在截圓在蝸桿環(huán)向上的位置角;α=。同理可得，環(huán)面外定子磁齒1軌跡曲線上任意點p2(x，y，z)的方程:

3.2 蝸桿內定子集成

蝸桿內定子鐵心是超環(huán)面電動機的重要組成部分，其質量的好壞直接影響該電機的整體性能。由于該鐵心的特殊性，在制造過程中，若采用先疊裝再整體式機加工蝸桿內定子輪廓及電樞槽時，硅鋼片在銑削過程中多發(fā)生較大的形變，同時切削產生的殘留細屑會堵塞硅鋼片之間的縫隙，從而增加了渦流損耗。為了提高加工質量，蝸桿內定子的制造采用分片式成型制造再疊壓的方法。

以蝸桿內定子的軸線作為x軸，建立坐標系如圖4(a)所示，φv為蝸桿環(huán)面包角，設每片硅鋼片厚度為δ，則內定子共有2n片硅鋼片組成:

根據(jù)蝸桿內定子環(huán)面及螺旋槽的形狀特征，以蝸桿喉部為界，左右對稱各n片，取最小圓為起始片，由此可得如圖4(b)所示鐵心中第j片硅鋼片的尺寸:

圖4 硅鋼片形狀

式中:hr為每片硅鋼片的電樞槽在包角范圍內環(huán)向的徑向深度:hj為第j片硅鋼片電樞槽的實際加工深度。分片加工后的硅鋼片，以鍵槽為基準，按順序依次穿入心軸，在壓力機的作用下加壓成型，得到蝸桿內定子鐵心。對于超環(huán)面電動機繞組的設計，除了要求盡可能產生較大的磁勢，對每相繞組所產生的磁勢波形以及三相繞組的對稱有要求之外，還應考慮下線工藝的便利及繞組受力情況。

4 仿真分析

混合勵磁超環(huán)面電動機各部件設計及裝配過程尺寸要求較為嚴格，為了保證各部件設計的準確性和裝配的合理性，采用三維建模軟件對超環(huán)面電動機樣機進行實體建模。為盡量增多參與磁嚙合的齒對數(shù)，取行星輪齒數(shù)為8，環(huán)面外定子磁齒數(shù)為28;考慮裝配的便利性，初選行星輪的個數(shù)為4，選定氣隙為0.5 mm。根據(jù)選定的主要設計參數(shù)，建立實驗樣機模型如圖5所示，裝配過程無干涉，各部件布局合理。

圖5 實驗樣機模型

為了研究超環(huán)面電動機在無勵磁電流作用下靜態(tài)磁場分布及氣隙磁密變化情況，基于樣機各參數(shù)，在Maxwell 2D環(huán)境下建立有限元模型。蝸桿內定子鐵心材料為DW540－50，永磁體材料為NdFe30。對模型進行網(wǎng)格劃分如圖6(a)所示，氣隙部分網(wǎng)格劃分采取加密處理，經計算及后處理后得到磁密及矢量圖如圖6(b)所示。

由圖6(b)可以看出，行星輪磁齒之間以及環(huán)面外定子螺旋磁齒之間均存在一定的漏磁，由于蝸桿電樞繞組無添加勵磁電流，兩條主磁路分別是行星輪磁齒與環(huán)面外定子磁齒和蝸桿內定子之間的嚙合磁路。由磁場分布結果可知，磁路設計合理。在有限元模型的氣隙中指定一條穿過內外氣隙的圓形路徑。通過場計算器得到指定路徑的氣隙磁密波形如圖7所示。

圖6 模型剖分及磁密矢量分布圖

圖7 氣隙磁密波形圖

行星輪磁齒與環(huán)面外定子磁嚙合的外氣隙磁場由永磁體提供，從圖7可以看出，外氣隙磁密波形整體呈現(xiàn)規(guī)則梯形波。而行星輪磁齒與蝸桿內定子之間的內氣隙磁密，由于蝸桿內定子存在電樞槽，齒槽效應明顯，內氣隙磁密波形出現(xiàn)突變。其中，在外氣隙磁嚙合處，氣隙磁密最大達到了0.6886 T，內氣隙中，磁密最大為1.0996 T，不存在過飽現(xiàn)象，磁場參數(shù)合理。

5 結 語

本文提出的混合勵磁超環(huán)面電動機是一種新型空間電機，它具有結構緊湊和傳動比范圍廣等優(yōu)點，能夠實現(xiàn)低速大轉矩。在結構參數(shù)分析的基礎上，得到了減速比與內外定子結構參數(shù)的關系。通過對超環(huán)面電動機磁嚙合關系的分析，得出了內外定子螺旋軌跡線的表達式。完成了蝸桿內定子的設計和實驗樣機的虛擬裝配，并對有限元模型磁場分布規(guī)律進行了仿真計算，驗證了磁路設計及參數(shù)的合理性，為后續(xù)電機性能的研究提供了依據(jù)。

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