張 進

(廣安職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣安 638000)

0 引 言

永磁游標(biāo)電機由磁齒輪演化而來,滿足磁場調(diào)制原理,能夠?qū)崿F(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩輸出,其傳動比定義為轉(zhuǎn)子極對數(shù)與定子繞組極對數(shù)之比[1]。近年來,研究者在電動汽車[2]、機器人[3]和風(fēng)力發(fā)電[4]等領(lǐng)域?qū)τ来庞螛?biāo)電機開展了深入研究,提出了同軸式[2-4]、軸向式[5]和直線式[6]等結(jié)構(gòu)類型。文獻[7]對永磁游標(biāo)電機進行了綜述,指出永磁游標(biāo)電機三個主要研究方向,包括提高轉(zhuǎn)矩、提升功率因數(shù)和降低成本。

雙定子結(jié)構(gòu)能夠有效改善永磁游標(biāo)電機的功率因數(shù)[8-9],同時由于集成度高,其轉(zhuǎn)矩密度大。雙定子電機的兩個定子共用一個轉(zhuǎn)子,雙定子分別控制能夠?qū)崿F(xiàn)多種運行模式[10]。研究者通過設(shè)計和優(yōu)化共用轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),進一步提升電機的性能。目前,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要包括:(1)傳統(tǒng)表貼式,即S極和N極永磁體交替黏貼于轉(zhuǎn)子軛表面[11];(2)輪輻式,即具有聚磁效應(yīng)的S極和N極鑲嵌于鐵心極之間且磁極沿周向充磁[12];(3)V形式,S極和N極永磁體以V字形內(nèi)嵌于轉(zhuǎn)子鐵心中[13];(4)同極內(nèi)嵌式,即充磁方向相同永磁體嵌于轉(zhuǎn)子內(nèi)外兩側(cè)表面[8]。其中,同極內(nèi)嵌式永磁轉(zhuǎn)子與傳統(tǒng)表貼式永磁轉(zhuǎn)子相比,永磁體用量明顯減小,與輪輻式和V形式永磁轉(zhuǎn)子相比,工藝相對簡單,同時由于有轉(zhuǎn)子軛支撐,結(jié)構(gòu)可靠性高。

雙定子同極內(nèi)嵌永磁游標(biāo)電機(以下簡稱DS-CP-PMVM)可以看作半數(shù)的充磁方向相同的永磁極被鐵心極取代。然而,當(dāng)永磁體用量減少一半時,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩明顯降低[14]。本文從減少永磁體用量、提高輸出轉(zhuǎn)矩出發(fā),對DS-CP-PMVM的轉(zhuǎn)子進行優(yōu)化設(shè)計,重點分析轉(zhuǎn)子永磁體和定子的最優(yōu)位置,優(yōu)化永磁體極弧系數(shù),并對優(yōu)化后的雙定子游標(biāo)電機的電磁性能進行討論。

1 電機結(jié)構(gòu)

之前的工作中,我們制備了一種DS-CP-PMVM,樣機如圖1所示,對應(yīng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。實質(zhì)上DS-CP-PMVM由兩個游標(biāo)電機組成,內(nèi)外電機采用相同配置,定子為分裂齒結(jié)構(gòu),主槽數(shù)為9,定子繞組為集中繞組形式,與文獻[8]中開口槽定子相比,集中繞組端部短,銅耗少,且工藝相對簡單;內(nèi)外電機共用一個轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子為雙側(cè)同極內(nèi)嵌結(jié)構(gòu),單側(cè)永磁體充磁方向一致,且沿圓周均勻分布。

圖1 DS-CP-PMVM樣機

由于內(nèi)外側(cè)配置相同,繞組極對數(shù)pe-x=pe、轉(zhuǎn)子極對數(shù)pr-x=pr、定子分裂齒個數(shù)Nst滿足磁場調(diào)制條件:

Nst=pe+pr

轉(zhuǎn)子永磁體的尺寸有厚度和弧長,其中,弧長與極弧系數(shù)有關(guān)。極弧系數(shù)可定義[14]:

式中:下標(biāo)x代表內(nèi)側(cè)或外側(cè),x=i代表內(nèi)側(cè),x=o代表外側(cè);βx和τx分別表示永磁體的弧長和極距。轉(zhuǎn)子內(nèi)外側(cè)永磁體中心軸線之間的夾角為αd-d。

DS-CP-PMVM采用三相交變電流驅(qū)動,三相電流輸入:

式中:Iamp-x為相電流幅值;f為交流頻率。圖2中,內(nèi)外定子A相軸線的夾角表示為αA-A。定子繞組通以交變電流產(chǎn)生的同步速度ne=60f/pe與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nr之比:

圖1樣機的參數(shù)如表1所示,樣機轉(zhuǎn)子永磁體采用矩形結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為200 r/min時,測得樣機的反電動勢如圖3所示,內(nèi)外定子反電動勢波形近似正弦。

表1 DS-CP-PMVM結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 DS-CP-PMVM樣機反電動勢

2 轉(zhuǎn)子優(yōu)化

2.1 參數(shù)αA-A和αd-d優(yōu)化

相對角度αA-A和αd-d對電機的性能影響很大,圖4為不同αA-A,αd-d下,DS-CP-PMVM的磁力線分布。αA-A=0,αd-d=0和αA-A=7°,αd-d=7°時,主磁力線直接連接內(nèi)外定子,表現(xiàn)為磁場耦合;αA-A=0,αd-d=180°/pr=12.86°時,內(nèi)外定子的磁路處于解耦狀態(tài);當(dāng)αA-A=180°/Nst=10°,αd-d=180°/pr=12.86°時,內(nèi)外定子的磁路部分解耦、部分耦合。

圖4 DS-CP-PMVM磁力線分布

取轉(zhuǎn)子內(nèi)外側(cè)永磁體極弧系數(shù)Kpm-i=Kpm-o=0.5。當(dāng)內(nèi)外定子電流Iamp-i=Iamp-o=6 A時,DS-CP-PMVM輸出轉(zhuǎn)矩隨αA-A,αd-d的變化圖譜如圖5所示。當(dāng)αA-A=αd-d時可獲得最大轉(zhuǎn)矩輸出,為設(shè)計方便,優(yōu)選αA-A=0,αd-d=0。

2.2 轉(zhuǎn)子永磁體極弧系數(shù)優(yōu)化

圖6對比了DS-CP-PMVM(Kpm-i=Kpm-o=0.5)與相同尺寸雙定子表貼式永磁游標(biāo)電機(以下簡稱DS-SM-PMVM)的輸出轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)子永磁體用量減少一半,相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩會降低,內(nèi)外定子電流均為6 A時,DS-SM-PMVM的平均轉(zhuǎn)矩為7.49 N·m,而DS-CP-PMVM的平均轉(zhuǎn)矩為6.89 N·m。針對單定子永磁游標(biāo)電機,文獻[14]通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子永磁體極弧系數(shù),在一定定子電流范圍內(nèi),有效提高了輸出轉(zhuǎn)矩。這里,將轉(zhuǎn)子永磁體極弧系數(shù)優(yōu)化拓展到DS-CP-PMVM。

圖6 Iamp-i=Iamp-o=6 A時,DS-CP-PMVM(Kpm-i=Kpm-o=0.5)與DS-SM-PMVM轉(zhuǎn)矩對比

DS-CP-PMVM的輸出轉(zhuǎn)矩Te可表示為Kpm-i和Kpm-o的函數(shù),即:

Te=f(Kpm-i,Kpm-o)

轉(zhuǎn)子兩側(cè)永磁體極弧系數(shù)的優(yōu)化公式:

Iamp-x=6 A時,DS-CP-PMVM輸出轉(zhuǎn)矩Te與Kpm-x關(guān)系云圖如圖7所示。當(dāng)Kpm-i=0.62,Kpm-o=0.66時,Te近似最大值。此外,圖7最內(nèi)層等轉(zhuǎn)矩線包含的區(qū)域內(nèi),輸出轉(zhuǎn)矩比較接近,最大偏差小于0.15 N·m。

圖7 Iamp-x=6 A時,DS-CP-PMVM轉(zhuǎn)矩與Kpm-x關(guān)系云圖

3 優(yōu)化后DS-CP-PMVM的電磁性能

取Kpm-i=0.62,Kpm-o=0.66,DS-CP-PMVM反電動勢幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖8所示。反電動勢幅值隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增大而增大,且呈線性關(guān)系。圖1樣機的轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)約為Kpm-i=0.64,Kpm-o=0.6,對應(yīng)圖3反電動勢幅值與優(yōu)化后電機相同轉(zhuǎn)速下的反電動勢近似。

圖8 優(yōu)化后的DS-CP-PMVM反電動勢幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

優(yōu)化后的DS-CP-PMVM轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩與Iamp-x關(guān)系云圖如圖9所示。對于單側(cè)定子而言,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩隨定子電流的增大而增大;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩是內(nèi)外定子共同作用的結(jié)果,如圖2(b)所示,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩為轉(zhuǎn)子內(nèi)外側(cè)轉(zhuǎn)矩之和,即TL=Te-o+Te-i。如圖10所示,當(dāng)Iamp-i=Iamp-o=6 A時,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩為(7.97±0.16)N·m,比圖6的DS-SM-PMVM轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩提升了(7.97-7.49)/7.49=6.4%,能夠滿足永磁體用量減少而轉(zhuǎn)矩能力不降低。

圖9 優(yōu)化后的DS-CP-PMVM轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩與Iamp-x關(guān)系云圖

圖10 Iamp-x=6 A時,優(yōu)化后的DS-CP-PMVM轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩

4 結(jié) 語

本文針對DS-CP-PMVM,以預(yù)先制備的樣機為基礎(chǔ),討論了DS-CP-PMVM的結(jié)構(gòu)與工作原理,并對同極內(nèi)嵌轉(zhuǎn)子永磁體極弧系數(shù)進行了優(yōu)化研究。

分析了DS-CP-PMVM磁力線分布,當(dāng)轉(zhuǎn)子內(nèi)外側(cè)永磁體中心軸線夾角αd-d與內(nèi)外定子A相軸線夾角αA-A相同時,主磁力線直接連接內(nèi)外定子,電機表現(xiàn)為磁場耦合,且輸出轉(zhuǎn)矩最優(yōu),本文取αA-A=αd-d=0。

討論了轉(zhuǎn)子永磁體極弧系數(shù)對DS-CP-PMVM轉(zhuǎn)矩的影響,當(dāng)轉(zhuǎn)子內(nèi)外側(cè)永磁體極弧系數(shù)分別為Kpm-i=0.62,Kpm-o=0.66時,DS-CP-PMVM輸出轉(zhuǎn)矩最大。

討論了DS-CP-PMVM的電磁特性,在Iamp-i=Iamp-o=6 A時,當(dāng)Kpm-i=Kpm-o=0.5,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩比傳統(tǒng)DS-SM-PMVM低,而優(yōu)化后的DS-CP-PMVM,轉(zhuǎn)矩提升了6.4%。