李 爽，梅 磊

(南京工業(yè)大學(xué)，南京 211816)

0 引 言

隨著永磁材料和功率電子學(xué)的飛速發(fā)展，美國(guó)學(xué)者Lipo在20世紀(jì)90年代提出一種新型的雙凸極永磁電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱DSPM)[1,2],DSPM解決了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱SRD)只能半周出力、低速噪聲大的缺點(diǎn)，相對(duì)于SRD，它控制更為靈活、效率更高、調(diào)速性能更好。DSPM延續(xù)了SRD結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，定轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，但DSPM的永磁體置于定子或轉(zhuǎn)子上，其運(yùn)行原理與SRD有本質(zhì)區(qū)別，因此,引起了相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注。

電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱DSEM)是在DSPM的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，用勵(lì)磁繞組取代DSPM的永磁體，其優(yōu)點(diǎn)是勵(lì)磁磁場(chǎng)可調(diào)，容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)過(guò)程中的弱磁控制和發(fā)電工程中的調(diào)壓控制等問(wèn)題，在航空航天、風(fēng)力發(fā)電和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3-11]。文獻(xiàn)[12]提出一種新型電磁式雙凸極無(wú)刷直流電機(jī)，利用有限元法對(duì)電機(jī)靜態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，并對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果作比較，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。文獻(xiàn)[13]提出了一種新型12/10極電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)，并進(jìn)行了場(chǎng)路聯(lián)合仿真及實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該種結(jié)構(gòu)電機(jī)改善了電機(jī)的磁鏈與反電勢(shì)的對(duì)稱性，并有效地削弱了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

無(wú)論是電勵(lì)磁還是永磁勵(lì)磁，大部分研究是針對(duì)徑向磁通結(jié)構(gòu)的電機(jī)，針對(duì)軸向磁通結(jié)構(gòu)電機(jī)的研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[14]提出了一種外轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子結(jié)構(gòu)的軸向磁通雙凸極電機(jī)，電樞繞組與勵(lì)磁繞組均安裝在內(nèi)定子凸極齒上，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大，但電機(jī)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜。文獻(xiàn)[15]提出了一種12/10極軸向磁場(chǎng)磁通切換型DSPM，該電機(jī)由2個(gè)相同結(jié)構(gòu)的外定子與內(nèi)轉(zhuǎn)子組成，永磁體置于電機(jī)中部，并采用能量差分法研究了削弱電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的方法。文獻(xiàn)[16]提出了一種新型凸極式轉(zhuǎn)子直流電機(jī)，該電機(jī)為9/6雙凸極結(jié)構(gòu),2對(duì)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)平行排列，勵(lì)磁繞組套筒置于電機(jī)中間部分提供軸向磁場(chǎng)，該電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩性能良好，但勵(lì)磁磁場(chǎng)的調(diào)磁范圍較窄。

針對(duì)現(xiàn)有電機(jī)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜、自身能耗大等問(wèn)題，本文研究了一種新型軸向磁通電勵(lì)磁兩相雙凸極電機(jī)，該電機(jī)結(jié)合軸向磁通與電勵(lì)磁的優(yōu)點(diǎn)，功率密度高，勵(lì)磁可調(diào)，調(diào)磁范圍寬。該電機(jī)采用雙定子、單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，勵(lì)磁效率高。軸向磁通路徑短，因此電機(jī)體積小，單位體積出力大。

下文介紹該新型結(jié)構(gòu)雙凸極電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理與磁路的設(shè)計(jì)，結(jié)合有限元仿真軟件對(duì)電機(jī)的靜態(tài)電磁特性(磁場(chǎng)分布，定子磁鏈，反電勢(shì)，氣隙磁密)進(jìn)行了仿真分析并初步驗(yàn)證該電機(jī)的合理性。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為軸向磁通電勵(lì)磁兩相雙凸極電機(jī)結(jié)構(gòu)的三維模型示意圖，圖2為電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖1、圖2即為該軸向磁通電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的具體實(shí)施方案。

圖1 軸向磁通電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 軸向磁通電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)剖面圖

圖1中，電機(jī)裝置包括定子套筒、定子圓盤A、定子凸極A、電樞繞組A、勵(lì)磁繞組、電樞繞組B、定子凸極B、定子圓盤B、轉(zhuǎn)子鐵心。定子圓盤A、定子圓盤B套裝在定子套筒內(nèi)部，定子圓盤A面向轉(zhuǎn)子的面上均勻分布有定子凸極A，定子圓盤B面向轉(zhuǎn)子的面上均勻分布有定子凸極B，定子凸極A上繞有電樞繞組A，定子凸極B上繞有電樞繞組B，定子凸極A與定子凸極B處于對(duì)齊位置。電樞繞組A中相對(duì)的兩個(gè)繞組構(gòu)成一相，電樞繞組B中相對(duì)的兩個(gè)繞組構(gòu)成一相，電樞繞組A和電樞繞組B相對(duì)的繞組構(gòu)成一相，因而構(gòu)成兩相雙凸極電機(jī)；定子套筒內(nèi)設(shè)有固定的纏繞勵(lì)磁繞組的線圈。轉(zhuǎn)子由極弧度為60°的3個(gè)凸極組成，極弧系數(shù)為1/3，處于定子套筒內(nèi)部，介于定子凸極A與定子凸極B之間并套裝在轉(zhuǎn)軸上；轉(zhuǎn)子鐵心與定子凸極A,B之間留有一定距離的氣隙。由圖2可見(jiàn)，整個(gè)電機(jī)成上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

2 工作原理

在軸向磁通電勵(lì)磁兩相雙凸極電機(jī)中，通入直流電流的勵(lì)磁線圈產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，原動(dòng)機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子鐵心旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子鐵心旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子凸極重疊面積發(fā)生變化，導(dǎo)致電樞繞組中的磁通量大小發(fā)生變化，從而在電樞繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)。當(dāng)定轉(zhuǎn)子凸極完全重疊時(shí)，磁力線走向示意圖如圖3所示。此時(shí)，由勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通將經(jīng)過(guò)定子凸極A、轉(zhuǎn)子凸極、定子凸極B、定子圓盤B、定子套筒、定子圓盤A形成閉合回路。

圖3 軸向磁通電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)磁力線走向示意圖

發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì):

(1)

圖4為理想磁鏈及空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形。定義發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)正方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，根?jù)勵(lì)磁繞組的磁鏈(ψ)特性，定子凸極下磁通線性上升區(qū)間，電樞繞組匝鏈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為負(fù)，線性下降區(qū)間對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為正，磁通不變區(qū)間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為0。

圖4 理想磁鏈波形及空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)示意圖

3 等效磁路法

電機(jī)的等效磁路圖如圖5所示。

圖5 軸向磁通電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)等效磁路圖

圖5中，Λup1，Λup2，Λup3，Λup4分別為上定子凸極A與轉(zhuǎn)子鐵心之間的氣隙磁導(dǎo)，Λdown1，Λdown2，Λdown3，Λdown4分別為轉(zhuǎn)子鐵心與下定子凸極B之間的氣隙磁導(dǎo)，Λe為勵(lì)磁線圈磁導(dǎo)，Λσ為漏磁路磁導(dǎo)，F(xiàn)e為電勵(lì)磁等效磁勢(shì)，Φe為勵(lì)磁磁通，Φδ為主磁路磁通，Φσ為漏磁路磁通。

(2)

Φe=Φσ+Φδ

(3)

Φδ=Φ1+Φ2+Φ3+Φ4

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

Λ1=Λup1+Λdown1

(9)

Λ2=Λup2+Λdown2

(10)

Λ3=Λup3+Λdown3

(11)

Λ4=Λup4+Λdown4

(12)

主磁路和各支路磁通的計(jì)算參照式(2)～式(8)，氣隙磁導(dǎo)的計(jì)算參照式(9)～式(12)。由電機(jī)定轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)的設(shè)計(jì)可知，該電機(jī)定轉(zhuǎn)子重合面積為常數(shù)，因此勵(lì)磁繞組的工作點(diǎn)也為常數(shù)。

4 有限元仿真驗(yàn)證

下文對(duì)軸向磁通電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)進(jìn)行有限元仿真。仿真分析了電機(jī)的磁通路徑和靜態(tài)特性，具體分析結(jié)果如下。

4.1 閉合回路磁場(chǎng)走向仿真驗(yàn)證分析

轉(zhuǎn)子凸極與定子凸極的相對(duì)位置用θr表示，設(shè)轉(zhuǎn)子凸極與定子凸極完全對(duì)齊時(shí)θr=0，對(duì)齊一半時(shí)θr=30°，完全不對(duì)齊時(shí)θr=60°。在勵(lì)磁電流If=10 A，轉(zhuǎn)速n=1 800 r/min條件下，此時(shí)電機(jī)1/6部分磁力線仿真圖分別如圖6所示。

(a) θr=0

(b) θr=30°

(c) θr=60°

由圖6可見(jiàn)，勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通路徑經(jīng)定子凸極A、轉(zhuǎn)子凸極、定子凸極、定子圓盤B、定子套筒、定子圓盤A形成閉合回路，驗(yàn)證了理論分析的正確性。θr=0時(shí)，磁通量最大；θr=60°時(shí),磁通量最小。

4.2 氣隙磁密的仿真驗(yàn)證性分析

勵(lì)磁電流If=10 A,θr=0時(shí)，電機(jī)上氣隙、下氣隙磁密的仿真波形如圖7和圖8所示。由于整個(gè)電機(jī)呈上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)，定子凸極A與定子凸極B對(duì)齊，所以上氣隙、下氣隙的氣隙磁密變化規(guī)律相同，圖7和圖8的仿真波形驗(yàn)證了這條規(guī)律。

圖7 上氣隙磁密圖

圖8 下氣隙磁密圖

根據(jù)磁阻最小原理，當(dāng)定子凸極和轉(zhuǎn)子凸極完全重合時(shí)，氣隙磁密的值最大，完全不重合時(shí)，氣隙磁密的值最小，由于軸向磁通電機(jī)的漏磁現(xiàn)象，最小值不為0。從圖7和圖8可以看出，氣隙磁密最大值為1.2 T左右，最小值略大于0，仿真數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)預(yù)期基本一致。

由于定轉(zhuǎn)子凸極的聚磁效應(yīng)，使得氣隙磁密波形變化不規(guī)則。定轉(zhuǎn)子在臨近重合時(shí)，端部存在局部飽和現(xiàn)象，此時(shí)刻的氣隙磁密會(huì)產(chǎn)生突變，圖7和圖8中的2次氣隙脈沖符合變化規(guī)律。

在相同的定轉(zhuǎn)子對(duì)齊位置時(shí)，勵(lì)磁電流取值不同時(shí)的氣隙磁密平均值如表1所示。

表1 不同勵(lì)磁電流時(shí)的氣隙磁密

由表1可知，通過(guò)改變勵(lì)磁繞組中的直流電流值，就可以改變電機(jī)氣隙磁通值。在相同轉(zhuǎn)子位置時(shí)，當(dāng)勵(lì)磁電流為5 A時(shí)，氣隙磁通為0.6 T；當(dāng)勵(lì)磁電流為10 A時(shí)，氣隙磁通為1.2 T，可見(jiàn)調(diào)磁效果顯著。當(dāng)磁密飽和時(shí)，氣隙磁通基本保持不變。合理選取勵(lì)磁線圈中的電流，就能實(shí)現(xiàn)較寬的調(diào)磁范圍。

4.3 繞組磁鏈和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的仿真驗(yàn)證性分析

圖9和圖10是轉(zhuǎn)子在原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下以轉(zhuǎn)速n=1 800 r/min，勵(lì)磁電流If=10 A運(yùn)行時(shí)的電樞繞組磁鏈及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形。由圖9可得，磁鏈的幅值約為0.5 Wb，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值約為200 V。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，磁鏈波形基本呈線性上升或下降，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形為方波，圖9、圖10的波形與理想波形基本一致。

本文的軸向磁通雙凸極電機(jī)為雙定子結(jié)構(gòu)，電樞繞組A與電樞繞組B對(duì)應(yīng)相的電樞繞組串聯(lián)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)疊加，是傳統(tǒng)單定子結(jié)構(gòu)電機(jī)感應(yīng)電壓的2倍，體現(xiàn)了該種結(jié)構(gòu)電機(jī)效率高、功率密度高的優(yōu)點(diǎn)。

圖9 If=10 A時(shí)的電樞繞組磁鏈

圖10 If=10 A時(shí)的電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文研究的軸向磁通電勵(lì)磁兩相雙凸極電機(jī)既具有軸向結(jié)構(gòu)雙凸極電機(jī)效率高、磁能利用率高、散熱好的優(yōu)點(diǎn)，又具備電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)可調(diào)、輸出電壓可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)電機(jī)呈盤式、扁平狀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、新穎。采用有限元仿真軟件進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，由仿真結(jié)果可知本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)基本符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，關(guān)于電機(jī)的優(yōu)化將在后續(xù)工作中進(jìn)行。

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