楊公德，李 捷，饒 飛

（福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108）

隨著國際社會環(huán)保理念的不斷提升，傳統(tǒng)燃油船舶在行駛過程中所帶來的能耗和環(huán)境污染問題越來越受到廣泛關(guān)注，加快發(fā)展具備零污染排放特性的電動船舶受到了航運界的青睞[1-2]?！毒G色生態(tài)船舶規(guī)范》明確了船舶動力系統(tǒng)電動化發(fā)展方向，目的是促進(jìn)節(jié)能與減排的技術(shù)應(yīng)用，倡導(dǎo)綠色造船和綠色航運[3]。目前，受岸基充電術(shù)和電動船舶艙室空間限制，電動船舶的續(xù)航里程較短，制約其在貨運和遠(yuǎn)洋航運方面的應(yīng)用。研發(fā)高功率密度、高效率驅(qū)動電機(jī)，拓展給定電池能量密度下電動船舶續(xù)航里程，已成為加快電動船舶發(fā)展步伐的關(guān)鍵技術(shù)手段。

《中國制造2025》重點領(lǐng)域技術(shù)路線要求的驅(qū)動電機(jī)功率密度指標(biāo)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有感應(yīng)電機(jī)和徑向永磁同步電機(jī)等驅(qū)動電機(jī)的功率密度，而定子永磁型軸向磁場永磁同步電機(jī)體積小、重量輕、效率和功率高，能節(jié)約電動船舶艙室空間以增加有效載荷比，已成為最具競爭力的新一代電動船舶驅(qū)動電機(jī)。近年來研究者提出多種定子永磁型軸向磁場永磁同步電機(jī)拓?fù)洌墨I(xiàn)[4-6]提出了一種雙定子中間轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的軸向磁場磁通切換型永磁電機(jī)，雙定子采用相同結(jié)構(gòu)，均放置電樞繞組和永磁體，轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，非常適合高速應(yīng)用場合。文獻(xiàn)[7]提出了一種雙轉(zhuǎn)子中間定子結(jié)構(gòu)的軸向磁場磁通切換型永磁電機(jī)，中間定子上放置電樞繞組和永磁體，雙轉(zhuǎn)子采用相同結(jié)構(gòu)，均無繞組也無永磁體。但以上定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)存在電負(fù)荷和磁負(fù)荷間的空間沖突問題，限制了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度提升。文獻(xiàn)[8-9]提出了一種雙定子中間轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的分離定子軸向磁場永磁電機(jī)，兩個定子放置不同的勵磁源，一個定子上放置電樞繞組，另一個定子上放置永磁體。由于永磁體和電樞繞組位于不同的定子上，增加了電負(fù)荷和磁負(fù)荷設(shè)計自由度，提升了電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度。但該電機(jī)結(jié)構(gòu)不對稱，軸向磁拉力較大。

針對現(xiàn)有定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)存在問題，本研究提出一種電動船舶用新型定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)。分離定子結(jié)構(gòu)，增加了電負(fù)荷和磁負(fù)荷設(shè)計自由度，提升了電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度；軸向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，減小了軸向磁拉力；模塊化的電樞定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，易于加工制造。首先研究所提出電機(jī)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)，然后基于三維有限元，研究所提出電機(jī)空載和負(fù)載工況下的電磁性能。

1 新型定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)拓?fù)?/h2>

本文提出了一種12/10 新型定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。該電機(jī)由1 個中間電樞定子、2 個相同永磁定子和2 個相同轉(zhuǎn)子組成，電樞定子和轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構(gòu)，永磁定子采用表貼式永磁結(jié)構(gòu)。電樞定子采用H 橋鐵心，每個H 橋鐵心軛部嵌繞電樞線圈，每塊永磁體中心相鄰的2 個H 橋鐵心中心對齊，轉(zhuǎn)子由導(dǎo)磁塊和隔磁塊組成，結(jié)構(gòu)簡單、堅固，可靠性高。新型定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)特點如下：①多定子/轉(zhuǎn)子軸向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，軸向空間利用率和轉(zhuǎn)矩/功率密度高；②電樞定子和永磁定子的分離結(jié)構(gòu)，提高了電磁負(fù)荷設(shè)計自由度，進(jìn)一步提升了電機(jī)轉(zhuǎn)矩/功率密度；③模塊化的定子/轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，易于加工、制造。

圖1 新型定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)電磁性能

轉(zhuǎn)速為300 rpm 時，12/10 定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)的三相空載磁鏈波形如圖2 所示。由圖2 可知，所提出電機(jī)的三相磁鏈在空間接近正弦對稱分布，磁鏈基波幅值為0.169 Wb，3 次諧波分量幅值為0.000 8 Wb，5 次諧波分量幅值為0.001 5 Wb。經(jīng)計算，該新型電機(jī)空載磁鏈諧波畸變率為1.58%。

圖2 定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)空載磁鏈

轉(zhuǎn)速為300 rpm 時，12/10 槽極組合定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)的三相空載反電動勢波形如圖3所示。所提出電機(jī)的三相空載反電動勢在空間接近正弦對稱分布，反電動勢基波幅值為52.71 V，3 次諧波分量幅值為0.874 V，5 次諧波分量幅值為2.33 V。經(jīng)計算，該新型電機(jī)空載反電動勢諧波畸變率為7.66%。

圖3 定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)空載反電動勢

由于齒槽轉(zhuǎn)矩會引起電機(jī)振動和噪音，影響電機(jī)的穩(wěn)定運行。采用三維有限元方法對所提出12/10 槽極組合定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行研究，得到如圖4 所示的齒槽轉(zhuǎn)矩。該電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值為4.02 N·m，平均齒槽轉(zhuǎn)矩為0.85 N·m。

圖4 定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩

在額定電流作用下，12/10 槽極組合定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電流角的關(guān)系如圖5 所示。在電流角由-90°～90°，電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩先增加后減小，電流角為0°時，電機(jī)平均電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值。由此可見，定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)是一種隱極式永磁電機(jī)，其磁阻轉(zhuǎn)矩為零。通過采用（id）=0 控制，該電機(jī)可獲得最大轉(zhuǎn)矩輸出。

圖5 平均電磁轉(zhuǎn)矩隨電流角的變化規(guī)律

電流角為0°時，不同電流有效值對應(yīng)的平均電磁轉(zhuǎn)矩如圖6 所示。由圖6 可見，定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與電流有效值的比率幾乎恒定，僅在電流有效值較高時出現(xiàn)了微弱飽和。

圖6 平均電磁轉(zhuǎn)矩隨電流有效值的變化規(guī)律

定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)在負(fù)載工況下的電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖7 所示，其電磁轉(zhuǎn)矩峰峰值為3.88 N·m，平均電磁轉(zhuǎn)矩為18.17 N·m。

圖7 定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩

電磁轉(zhuǎn)矩脈動定義式為

式中：Tmax為電磁轉(zhuǎn)矩最大值；Tmin為電磁轉(zhuǎn)矩最小值；Tavg為平均電磁轉(zhuǎn)矩。

基于圖7，按照上式計算得到的定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動為21.38%。

3 結(jié)束語

本文以定子永磁型軸向磁場永磁同步電機(jī)作為研究對象，分別針對電磁負(fù)荷設(shè)計自由度、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對稱性、電機(jī)電樞定子和轉(zhuǎn)子模塊化等多個方面進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種新型定子永磁型軸向磁場永磁電機(jī)，為了驗證所提出電機(jī)設(shè)計的可靠性，以一臺槽極組合為12/20 結(jié)構(gòu)的樣機(jī)作為對象，分析其在空載和負(fù)載工況下的電磁性能，根據(jù)三維有限元軟件仿真顯示，當(dāng)電機(jī)處于空載工況下時，齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值為4.02 N·m，空載反電動勢經(jīng)過傅立葉分解得到諧波畸變率為7.66%；當(dāng)電機(jī)處于負(fù)載工況下時，電磁轉(zhuǎn)矩峰峰值為3.88 N·m，平均電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到18.17 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動為21.38%。