郗珂慶，劉云濤，高俊麗，楊 光

(西安航天動(dòng)力測(cè)控技術(shù)研究所，西安 710025)

0 引 言

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)可以是有一個(gè)電輸入端口，兩個(gè)機(jī)械輸出端口的電動(dòng)機(jī)；也可以是有兩個(gè)機(jī)械輸入端口，一個(gè)電輸出端口的發(fā)電機(jī)。這種電機(jī)可能的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式多種多樣，其應(yīng)用前景和領(lǐng)域也非常廣泛，如混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、多種可再生能源聯(lián)合發(fā)電等[1-2]。

異向旋轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)具有一個(gè)電輸入端口和兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)械輸出端口，非常適合作為雙螺旋槳水下航行器的推進(jìn)電機(jī)[3]。它只有一組三相對(duì)稱交流電饋電，不但巧妙地實(shí)現(xiàn)內(nèi)外雙轉(zhuǎn)子的同速異向旋轉(zhuǎn)，大大簡(jiǎn)化機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)體積、降低系統(tǒng)重量和成本， 而且不用加變向雙輸出裝置, 從電機(jī)本身就實(shí)現(xiàn)了異向同速的雙機(jī)械量輸出。但由于該種電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性, 需要定子固定裝置來(lái)保證由硅鋼片疊壓而成的定子鐵心是一個(gè)整體，同時(shí)保證外轉(zhuǎn)子、定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子的同心度。

本文主要從機(jī)械和電磁兩方面分析定子固定裝置對(duì)該種結(jié)構(gòu)電機(jī)的影響。主要分析定子鐵心緊固件材料、安放位置和應(yīng)用定子固定裝置與不用定子固定裝置兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)的配合方式對(duì)雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的機(jī)械和電磁的影響。

1 機(jī)械方面的影響分析

1.1 材料選取

由于定子鐵心緊固件一方面起到定子硅鋼片的軸向固定，另一方面影響定子鐵心磁路結(jié)構(gòu)。因此，定子鐵心緊固件的材料選取尤為重要。一般制造緊固件常用碳鋼材料[4]，若考慮降低電機(jī)的渦流損耗從而減少定子發(fā)熱和增強(qiáng)緊固件的強(qiáng)度，可選取不導(dǎo)磁的不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料；但由于定子鐵心緊固件是定子軛部磁路的一部分，從降低鐵心飽和程度來(lái)考慮，可選取10號(hào)鋼。

1.2 外轉(zhuǎn)子-定子-內(nèi)轉(zhuǎn)子三者之間同心度保證

普通電機(jī)只有一個(gè)在定子鐵心內(nèi)側(cè)的氣隙，定子鐵心可以在外側(cè)通過激光焊接(微特電機(jī))、扣片(小型電機(jī))或者焊接緊固筋(中大型電機(jī))將定子硅鋼片的軸向緊固形成定子鐵心。經(jīng)軸向緊固后的定子鐵心通常以鐵心內(nèi)孔為基準(zhǔn)磨鐵心外圓然后壓入電機(jī)機(jī)殼內(nèi)來(lái)進(jìn)行固定，并且可以利用機(jī)殼兩端和端蓋的止口進(jìn)行定位[5]。

雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的定子內(nèi)側(cè)和外側(cè)都有齒槽和氣隙，無(wú)法在定子外側(cè)安裝扣片或緊固筋定位，硅鋼片不能和機(jī)殼直接相連，也無(wú)法利用機(jī)殼和端蓋的止口來(lái)進(jìn)行內(nèi)外氣隙的同心定位。因此，電機(jī)選擇了定子固定裝置這種機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上述兩種功能。電機(jī)未采用定子固定裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DRRFPM結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，定子與端蓋連接時(shí)僅僅靠螺絲的圓柱邊同端蓋的止口面配合，起到保證整個(gè)定子鐵心的同軸度，這將遠(yuǎn)比普通電機(jī)的機(jī)座端蓋止口面配合保證定子鐵心同軸度的精度差得多。

為了保證內(nèi)外轉(zhuǎn)子和中間定子的同心度，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，各個(gè)零件的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)該考慮這個(gè)因素，尤其是定子固定裝置同定子及前后端蓋的連接配合又是實(shí)現(xiàn)電機(jī)同心度的關(guān)鍵要素。設(shè)計(jì)定子固定裝置由定子鐵心緊固件、定子壓圈、異形連接座三部分組成，定子鐵心緊固件從定子鐵心的前后兩側(cè)對(duì)硅鋼片和前后兩端的壓圈進(jìn)行固定。通過設(shè)計(jì)異形連接座三處伸出部分兩端加工止口，一端與定子鐵心壓圈的止口配合定位，另一端與端蓋的止口配合定位，并用緊固件分別固定在一起。這樣比定子同端蓋連接時(shí)，僅僅靠定子鐵心緊固件的圓柱邊同端蓋的止口面配合來(lái)保證整個(gè)電機(jī)的同心度提高了許多。

1.3 定子受力分析

定子的強(qiáng)度與剛度的機(jī)械計(jì)算是雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的機(jī)械性能計(jì)算的重要部分，它將決定電機(jī)定子受力形變大小及電機(jī)所受單邊磁拉力的大小，是電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。定子固定裝置計(jì)算的重點(diǎn)為定子緊固件和異形連接座強(qiáng)度和剛度。除了材料自身影響外，還可以合理的設(shè)計(jì)定子緊固件和異形連接座機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)降低其所受應(yīng)力。因此，設(shè)計(jì)定子固定裝置時(shí)，為了降低其所受應(yīng)力，需要做以下幾方面結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)：

(1)定子緊固件采用圓形結(jié)構(gòu): 定子緊固件的端部和定子緊固件檔采用圓形結(jié)構(gòu), 這樣比矩形更有效的提高此結(jié)構(gòu)件的抗彎矩能力。

(2)定子靠近端蓋止口: 盡量縮短異形連接座的軸向尺寸，使后端蓋的止口面在不影響定子端部走線的前提下盡量靠近定子, 這樣可以減少?gòu)澗亓Ρ? 從而降低了異形連接座所受彎矩的影響, 方便改善其載荷分布。

(3)增加異形連接座: 在定子緊固件兩端所受的剪應(yīng)力最大, 為了降低剪應(yīng)力破壞能力, 同時(shí)因?yàn)槎ㄗ泳o固件需要套在定子鐵心上, 因此在不影響電機(jī)電磁性能和遮蓋齒槽的前提下, 盡量增加緊固件厚度, 提高它的機(jī)械強(qiáng)度；增加異形連接座與定子壓圈止口配合(如圖2止口配合1)長(zhǎng)度和止口高度；增加異形連接座與端蓋止口配合(如圖2止口配合2)長(zhǎng)度和止口高度；異形連接座支承部位設(shè)計(jì)有多筋結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗瑫r(shí)承受著整個(gè)定子重量對(duì)它施加剪應(yīng)力的影響。通過上面所述內(nèi)容, 得出定子固定裝置的三維圖如圖2所示。

圖2 定子固定裝置

對(duì)于該種電機(jī)定子鐵心所承受的徑向和切向電磁力及扭轉(zhuǎn)情況可以不考慮，因?yàn)閺较螂姶帕梢钥醋鞫ㄗ雍娃D(zhuǎn)子為了減小氣隙而相互吸引的拉力。而在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí), 定子上的徑向力由于對(duì)稱的雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)被消除，理論上可使得機(jī)械拉力為零，但實(shí)際上數(shù)值也很小。另外, 內(nèi)外轉(zhuǎn)子作用在定子上的電磁轉(zhuǎn)矩方向相反，不但使得定子上的切向磁拉力極大地減小而且使得定子受到的合成轉(zhuǎn)矩較小, 有利于定子的緊固, 提高了機(jī)械穩(wěn)定性。

1.4 定子固定裝置受力仿真

通過軟件對(duì)定子固定裝置進(jìn)行受力分析仿真，模型網(wǎng)格劃分如圖3所示，邊界條件的設(shè)置，加載重力加速度的方向?yàn)閥方向，加載大小為102 N，如圖4所示；分析結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

圖4 邊界條件設(shè)置

圖5 受力方向的變形圖

圖6 等效應(yīng)力圖

通過圖5可知，最大形變量位于模型最下側(cè)，數(shù)值為0.1559 μm；通過圖6可知，最大等效應(yīng)力數(shù)值為15386 Pa，位于模型兩側(cè)，這符合靜態(tài)平衡下的工況，滿足設(shè)計(jì)要求。

2 電磁方面的影響分析

2.1 定子鐵心磁場(chǎng)分布

本文以12極36槽雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)為研究對(duì)象，定子內(nèi)外兩側(cè)的繞組相序繞制異向，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外轉(zhuǎn)子異向旋轉(zhuǎn)[6]。利用仿真軟件對(duì)雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)建模仿真得到電機(jī)的磁力線分布(如圖7所示)，從圖中可以看出，軛部磁密曲線的空間位置分布和定子鐵心的高慈密區(qū)和低磁密區(qū)，并且低磁密區(qū)有12處，因此定子鐵心緊固件最多有12處可以安放。

圖7 雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)磁力線分布

2.2 對(duì)鐵心飽和的影響

定子鐵心緊固件的數(shù)量、大小不但影響雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的機(jī)械性能, 而且影響到磁力線的走向, 占據(jù)了一定的磁路空間, 增加了部分區(qū)域的飽和程度， 而且位置不同, 對(duì)磁力線走向的影響也不同。

從圖7中可以看出，雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)高磁密和低磁密出現(xiàn)在固定區(qū)域, 并且定子鐵心緊固件放在低磁密的物理區(qū)域時(shí)兩者沒有公用部分，即電機(jī)運(yùn)行于該種情況時(shí)不會(huì)在定子鐵心緊固件上產(chǎn)生渦流損耗或者產(chǎn)生很小的渦流損耗。相反, 定子鐵心緊固件的位置改變將不同程度的影響到定子鐵心的飽和程度。

3 結(jié) 語(yǔ)

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)是否采用定子固定裝置，定子固定裝置中的定子鐵心緊固件的材料選擇及安放位置等對(duì)該種電機(jī)的機(jī)械性能, 電磁性能有非常重要的影響, 可以得出以下結(jié)論:

(1) 定子固定裝置不但起到定子鐵心的軸向緊固、定子固定，而且還起到外轉(zhuǎn)子、定子、內(nèi)轉(zhuǎn)子的同心定位作用。

(2)定子鐵心緊固件的材料應(yīng)該選取強(qiáng)度比較高的, 比如不銹鋼, 并且在不干涉齒槽及繞組接線的前提下, 最大限度的增加直徑, 提高它的機(jī)械強(qiáng)度。

(3)定子固定裝置承受著整個(gè)定子重量對(duì)它施加的剪應(yīng)力影響，需要增加異形連接座與定子壓圈和端蓋止口配合長(zhǎng)度和止口高度并且異形連接座支承部位應(yīng)有補(bǔ)強(qiáng)措施。

(4)縮短異形連接座的軸向尺寸，使端蓋的止口面在不影響定子端部走線的前提下盡量靠近定子, 可以降低異形連接座所受彎矩的影響，方便改善其載荷分布。

(5)定子鐵心緊固件的安放位置不同將導(dǎo)致鐵心不同程度的飽和。為了降低電機(jī)定子軛部磁密的局部飽和，定子鐵心緊固件的位置需放置在低磁密的地方。