柴新寧， 趙永強(qiáng)， 孫允璞

(陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 漢中 723000)

多齒型定子的開關(guān)磁通永磁電機(jī)設(shè)計(jì)與仿真

柴新寧， 趙永強(qiáng)， 孫允璞

(陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 漢中 723000)

提出了一種多齒型定子鐵芯結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁通永磁電機(jī)，并建立電機(jī)參數(shù)化模型。以電機(jī)定/轉(zhuǎn)子之間間隙、永磁體厚度、定子齒寬等參數(shù)作為分析變量，基于有限元分析軟件對(duì)多齒型開關(guān)磁通永磁電機(jī)的氣隙磁密、齒槽轉(zhuǎn)矩等電磁特性進(jìn)行分析，為直驅(qū)型純電動(dòng)汽車所用電機(jī)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

開關(guān)磁通永磁電機(jī)； 有限元分析； 電磁特性； 多齒鐵芯

目前在純電動(dòng)汽車中普遍使用的傳統(tǒng)永磁電動(dòng)機(jī)將永磁體鑲嵌在轉(zhuǎn)子中，傳統(tǒng)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)非常容易出現(xiàn)永磁體甩飛落的情況。為解決上述問題，大部分研究者采用不銹鋼或者非金屬材料制造的緊固裝置將永磁體固定于轉(zhuǎn)子上，但采用這種方式又帶來電機(jī)散熱效果差、功率密度低，永磁體高溫退磁現(xiàn)象明顯等問題[1-2]，這些問題使傳統(tǒng)永磁電動(dòng)機(jī)在純電動(dòng)車領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。

針對(duì)傳統(tǒng)永磁電機(jī)出現(xiàn)的問題，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者、高校及組織機(jī)構(gòu)對(duì)其展開研究，他們發(fā)現(xiàn)一種新型電機(jī)-開關(guān)磁通永磁電機(jī)。該電機(jī)摒棄傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)理念,將永磁體置于定子中，這種新型電機(jī)不僅克服了傳統(tǒng)永磁電機(jī)所出現(xiàn)的問題，而且具有開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械強(qiáng)度高、反電勢(shì)正弦、功率密度高、抗退磁能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且開關(guān)磁通永磁電機(jī)定/轉(zhuǎn)子均為雙凸極結(jié)構(gòu)，電樞繞組和永磁體均位于定子，使得轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單非常適用于交流傳動(dòng)系統(tǒng)。由此開關(guān)磁通永磁電機(jī)在純電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用成為一個(gè)全新的研究方向。

經(jīng)過長(zhǎng)期研究及實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)新型開關(guān)磁通永磁電機(jī)性能易受電機(jī)定/轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、永磁體用量等參數(shù)的影響，其中電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、聚磁效應(yīng)、齒槽效應(yīng)問題尤為突出。針對(duì)上述問題研究人員從不同角度對(duì)其展開研究：TANG Y等[3]采用有限元分析法，對(duì)開關(guān)磁通永磁電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電機(jī)性能進(jìn)行分析，電勵(lì)磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)在一定轉(zhuǎn)矩密度下電機(jī)的弱磁性能顯著提高，但該結(jié)構(gòu)增加了電機(jī)銅耗、繞組間的互感；ZHU Z Q等[4]采用定子磁極“多齒”的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)開關(guān)磁通電機(jī)的電磁性能相比較，新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)永磁體體積大幅減少，轉(zhuǎn)矩密度明顯提高、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)縮減，但該結(jié)構(gòu)增加加工難度，電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)繁瑣，加大電機(jī)加工成本；CHEN J T等[5]提出了E型鐵心開關(guān)磁通電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與U型鐵心結(jié)構(gòu)電機(jī)相比，永磁體用量大幅度減少，轉(zhuǎn)矩密度卻基本不變，銅耗明顯降低，可轉(zhuǎn)矩波動(dòng)相對(duì)加大。

對(duì)多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大的問題，本文提出一種12/22極多齒型定子鐵芯的開關(guān)磁通永磁電機(jī)，參考傳統(tǒng)開關(guān)磁通永磁電機(jī)的基本尺寸建立新型電機(jī)的參數(shù)化模型，從電機(jī)的氣隙大小、定子齒寬、永磁體充磁方向厚度、轉(zhuǎn)子極結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面對(duì)開關(guān)磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩密度影響進(jìn)行分析。

1 多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)工作原理

開關(guān)磁通永磁電機(jī)擁有特殊的定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并且電機(jī)永磁體和電樞繞組均布置于定子，因此其工作原理與傳統(tǒng)電機(jī)大不相同。電機(jī)工作過程中其磁通變換如圖1所示，以電機(jī)定子中某一磁極為研究對(duì)象，分析其電樞繞組磁鏈流通情況：當(dāng)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子凸極處于圖1所示位置I時(shí)，電樞繞組磁鏈由定子齒通過電樞繞組到轉(zhuǎn)子凸齒回到定子形成閉合磁路；當(dāng)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子凸極處于圖1所示位置II時(shí)，電樞繞組磁鏈由轉(zhuǎn)子凸齒經(jīng)定子齒通過電樞繞組回到轉(zhuǎn)子形成閉合磁路。開關(guān)磁通永磁電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的關(guān)系由圖1中位置I到位置II過程中，定子磁極電樞繞組磁鏈流通方向相反、大小相等。

(a) 位置I (b) 位置II圖1 開關(guān)磁通永磁電機(jī)磁通切換原理圖

多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)定、轉(zhuǎn)子相對(duì)位置由位置I到位置II的過程中，電樞繞組磁通方向發(fā)生變化，并顯示雙極性。電機(jī)磁通變換過程中電樞繞組感應(yīng)磁場(chǎng)與永磁體磁場(chǎng)處于并聯(lián)關(guān)系、互不干擾，同時(shí)電樞磁場(chǎng)對(duì)永磁體工作點(diǎn)的影響較小，不會(huì)造成永磁體的不可逆退磁。因此，開關(guān)磁通永磁電機(jī)適合做交流電機(jī)進(jìn)行弱磁控制，電機(jī)的調(diào)速或伺服控制可以通過磁場(chǎng)的定向矢量變換實(shí)現(xiàn)[6]。

1.2 電機(jī)主要參數(shù)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)電動(dòng)車基本性能參數(shù)為額定轉(zhuǎn)速nN=600 r/min，額定轉(zhuǎn)矩TN=80 N·m，額定功率PN=5 kW,根據(jù)以上所述基本性能要求，設(shè)計(jì)多齒型開關(guān)磁通永磁電機(jī)的主要尺寸[5,7-8]，如表1所示。

表1 電機(jī)主要參數(shù)值

參考現(xiàn)有開關(guān)磁通永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子極數(shù)NR、定子極數(shù)Ns、電機(jī)相數(shù)m滿足關(guān)系式

(1)

其中K1和K2都是自然數(shù)。本文設(shè)計(jì)多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)定、轉(zhuǎn)子極數(shù)之比為12/22，電機(jī)定子是由12個(gè)周向布置的多齒型定子鐵芯構(gòu)成；永磁體為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)并切向充磁，且鑲嵌于兩個(gè)多齒型定子鐵芯之間，相鄰永磁體充磁方向相反；三相電樞繞組采用雙層集中繞組形式布置于定子鐵芯。

設(shè)計(jì)多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)主要尺寸：定子外徑Dso及電樞鐵芯長(zhǎng)度La等參數(shù)滿足關(guān)系

(2)

(3)

依據(jù)表1相關(guān)數(shù)據(jù)和式(2)確定多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)主要尺寸。由于開關(guān)磁通永磁電機(jī)和直流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)相似，因此參考直流永磁同步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子尺寸設(shè)計(jì)方法，對(duì)多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)的定子齒寬度ts、轉(zhuǎn)子齒寬度tr、永磁體磁化方向厚度hpm、定子軛部厚度hps、槽口寬度tslot進(jìn)行設(shè)計(jì)，各參數(shù)之間的關(guān)系滿足式(3)。根據(jù)以上分析得出電機(jī)初始尺寸[9]。

2 多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)仿真分析

2.1 永磁體磁化方向的厚度

依據(jù)電機(jī)初始尺寸利用有限元分析軟件建立電機(jī)參數(shù)化模型。對(duì)于開關(guān)磁通永磁電機(jī)而言，永磁體用量和結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)電機(jī)成本和性能均有影響，因此永磁體結(jié)構(gòu)尺寸的選擇需兼顧電機(jī)性能和經(jīng)濟(jì)成本。多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)由于定子的特殊結(jié)構(gòu)使得永磁體用量縮減，電機(jī)成本降低。通過有限元分析軟件設(shè)計(jì)永磁體結(jié)構(gòu)尺寸，初始設(shè)計(jì)時(shí)選取永磁體磁化方向厚度hpm等于定子齒寬，但這個(gè)比例關(guān)系并不是最佳選擇[10]。圖2為永磁體磁化方向厚度hpm取3.09～3.79 mm，步長(zhǎng)為0.1 mm時(shí)電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖。

圖2 永磁體磁化厚度-齒槽轉(zhuǎn)矩波形

由圖2分析，對(duì)于不同永磁體磁化方向厚度為hpm的電機(jī)，其他參數(shù)保持不變的情況下，隨著hpm增大，電機(jī)定力矩有所增大，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形接近理想正弦波，但電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩增大使得電機(jī)瞬時(shí)波動(dòng)變大，電機(jī)平穩(wěn)性變差，而且當(dāng)hpm增大時(shí)，電機(jī)永磁磁鏈值增大，電機(jī)的弱磁控制難度增加，不利于電機(jī)高速運(yùn)行。所以，永磁體磁化方向厚度的選擇要綜合考慮電機(jī)輸出力矩、力矩波動(dòng)和弱磁控制的影響。

2.2 定子齒寬度

電機(jī)定子齒作為電機(jī)磁路的主要組成部分，齒寬對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能和經(jīng)濟(jì)性能影響巨大。定子齒寬增大將減小定子槽面積，同時(shí)增大繞組槽滿率使下線難度增加，電機(jī)運(yùn)行時(shí)散熱難度增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)升溫過高而燒毀；定子齒寬過小，齒部磁密容易出現(xiàn)過度飽和現(xiàn)象，引起電機(jī)非線性問題[11]。因此研究定子齒寬對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能的影響必不可少，在保證電機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性以及其他參數(shù)不變的前提下，通過設(shè)置定子齒寬ts取3.69～4.19 mm，步長(zhǎng)為0.1 mm，分析不同定子齒寬對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，如圖3所示。

由圖3分析得到，多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形隨定子齒寬的增加都按照正弦變化，并且隨定子齒寬變化電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩峰值波動(dòng)不是很大，而隨定子齒寬增大齒槽轉(zhuǎn)矩整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但齒槽轉(zhuǎn)矩整體增大不明顯。因此，綜合考慮電機(jī)繞線槽滿率、轉(zhuǎn)矩特性以及生產(chǎn)成本，最終選擇多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)的定子齒寬ts=3.69 mm。

2.3 氣隙寬度

氣隙磁密幅值的大小對(duì)多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)磁場(chǎng)強(qiáng)弱、功率密度以及轉(zhuǎn)矩密度大小都有巨大影響，而且氣隙大小對(duì)電機(jī)的安裝以及裝配零件精度都有較高的要求，這無異于增加電機(jī)的制造成本和電機(jī)通用性[12]。因此，在保證其他電機(jī)參數(shù)不變的情況下，電機(jī)氣隙寬度取0.5～1 mm，步長(zhǎng)為0.1 mm時(shí)，分析隨氣隙寬度變化電機(jī)磁密以及齒槽轉(zhuǎn)矩的變化情況，如圖4所示。

(a) 定子齒寬-齒槽轉(zhuǎn)矩波形 (b) 定子齒寬-齒槽轉(zhuǎn)矩分布圖圖3 定子齒寬-齒槽轉(zhuǎn)矩變化

圖4 氣隙-磁通量波形和齒槽轉(zhuǎn)矩波形分布

由圖4分析，在其他條件不變的前提下，隨氣隙寬度增加電機(jī)三相繞組磁通量峰值、齒槽轉(zhuǎn)矩峰值均逐漸減小，然而隨氣隙寬度增大，磁通量波形及齒槽轉(zhuǎn)矩波形均呈現(xiàn)出較好的正弦特性；隨電機(jī)氣隙逐漸增大齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯降低，同時(shí)電機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性有所提高，氣隙磁阻不均勻程度、氣隙磁場(chǎng)永磁能量、電機(jī)噪聲均有所降低，但氣隙過大不利于電機(jī)高速弱磁控制，而且電機(jī)系統(tǒng)機(jī)械特性和輸出轉(zhuǎn)矩都將大幅度降低。電機(jī)氣隙減小會(huì)帶來電機(jī)定子齒局部過飽和以及電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)增大等問題，對(duì)電機(jī)安裝、控制、啟動(dòng)都有巨大影響。因此，綜合考慮多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)氣隙寬度選取0.5～0.8 mm之間的數(shù)值。

2.4 轉(zhuǎn)子齒輔助槽

永磁開關(guān)磁通電機(jī)由于其特殊的雙凸極結(jié)構(gòu)，未經(jīng)優(yōu)化時(shí)其所產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩相對(duì)其他類型電機(jī)較高，較高的齒槽轉(zhuǎn)矩不僅引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，而且產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行惡化，最終會(huì)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響。近年來開關(guān)磁通永磁電機(jī)的研究中對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化較少提及[2,13]。圖5(a)為在轉(zhuǎn)子齒頂1/2處開有單矩形輔助槽，圖5(b)為在轉(zhuǎn)子齒頂1/3和2/3位置設(shè)計(jì)雙輔助槽的原理圖。

(a) 單輔助槽 (b) 雙輔助槽圖5 轉(zhuǎn)子凸極輔助槽原理

圖6所示隨轉(zhuǎn)子凸極矩形輔助槽寬L4和槽長(zhǎng)L3增長(zhǎng)，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形變化分布圖。由圖6(a)分析，隨輔助槽寬L4取0.9～1.3 mm，步長(zhǎng)為0.1 mm時(shí)，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形按理想正弦分布，齒槽轉(zhuǎn)矩幅值明顯降低；由圖6(b)得出，隨輔助槽長(zhǎng)L3取1.2～1.6 mm，步長(zhǎng)為0.1 mm時(shí)，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形并非按理想正弦波變化，齒槽轉(zhuǎn)矩峰值超出正常值。

圖7所示隨轉(zhuǎn)子凸極矩形輔助槽寬L2和槽長(zhǎng)L1增長(zhǎng)，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形變化分布圖。由圖7(a)可知，隨輔助槽寬L2取0.864～1.264 mm，步長(zhǎng)為0.1 mm時(shí)，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形按理想正弦分布，齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)并無明顯降低；由圖7(b)得出，隨輔助槽長(zhǎng)L1取1.2～1.4 mm，步長(zhǎng)為0.1 mm時(shí)，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形按理想正弦波變化，齒槽轉(zhuǎn)矩峰值明顯增大，電機(jī)啟動(dòng)波動(dòng)增大。

(a) 槽寬-齒槽轉(zhuǎn)矩波形 (b) 槽長(zhǎng)-齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖6 轉(zhuǎn)子凸極單輔助槽波形圖

(a) 槽寬-齒槽轉(zhuǎn)矩波形 (b) 槽長(zhǎng)-齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖7 轉(zhuǎn)子凸極雙輔助槽波形圖

由圖6和圖7分析，對(duì)于多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)而言，轉(zhuǎn)子凸極設(shè)計(jì)單輔助槽比設(shè)計(jì)雙輔助槽對(duì)降低電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩要明顯。同時(shí)，增加輔助槽寬對(duì)降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和減小啟動(dòng)波動(dòng)以及噪聲有明顯效果。因此，多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子凸極設(shè)計(jì)一個(gè)輔助槽為最佳結(jié)構(gòu)，槽寬取L4=1.2 mm,槽長(zhǎng)L3=1.6 mm。

3 總 結(jié)

本文針對(duì)多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問題進(jìn)行研究。在保持其他條件不變的情況下，以電機(jī)永磁體磁化寬度、定子齒寬度、定/轉(zhuǎn)子之間間隙為變量分析其對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，其中永磁體磁化寬度參量對(duì)多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩影響較大，隨永磁體磁化寬度增加齒槽轉(zhuǎn)矩峰值變大；多齒型定子鐵芯中定子齒寬對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響較小，隨定子齒寬增大電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩在一定范圍內(nèi)保持不變。電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間氣隙對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩影響較大，隨電機(jī)氣隙增大電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩明顯降低；定、轉(zhuǎn)子之間氣隙變化不僅對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩有影響，同時(shí)也影響電機(jī)磁通分布，隨電機(jī)氣隙增大,電機(jī)A、B、C三相電樞繞組磁通峰值之間差值僅為0.04，因此電機(jī)氣隙變化對(duì)A、B、C三相電樞繞組影響不大。轉(zhuǎn)子凸極開有單輔助槽時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形按正弦分布，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)有明顯降低，齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)下降86.62%，而轉(zhuǎn)子凸極開有雙輔助槽時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形仍按正弦分布，但轉(zhuǎn)矩波動(dòng)并無明顯變化。因此對(duì)多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機(jī)而言，通過合理選擇電機(jī)永磁體磁化寬度、電機(jī)氣隙寬度以及在轉(zhuǎn)子凸極開有單輔助槽對(duì)降低電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)效果顯著。

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[責(zé)任編輯：李 莉]

Design and simulation of multi-tooth stator flux permanent magnet motor

CHAI Xin-ning， ZHAO Yong-qiang， SUN Yun-pu

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

Switched-flux permanent magnet motor with multi-toothed stator core structure is proposed, and the parametric model of the motor is established. The clearance between the stator and the rotor, the permanent magnet thickness and the stator tooth width are taken as the analysis variables. The analysis software is used to analyze the electromagnetic characteristics such as air gap flux density and positioning torque of the multi-tooth type switched magnetic flux permanent magnet motor, which can provide reference for the design and optimization of the motor used in the direct drive type pure electric vehicle.

switched flux permanent motor; finite element analysis; electromagnetic characteristics; multi-tooth core

TM351

A

2096-3998(2017)05-0025-06

2017-02-27

2017-07-06

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(16JK1166)

柴新寧(1989—)，男，甘肅省酒泉市人，陜西理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠嚬?jié)能技術(shù)與電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)；[通信作者]趙永強(qiáng)(1976—)，男，陜西省扶風(fēng)縣人，陜西理工大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)成形技術(shù)設(shè)備與交流伺服控制。