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新型永磁游標(biāo)電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

2020-01-22 00:52:45·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
本文提出一種雙定子中間轉(zhuǎn)子游標(biāo)電機(jī)，建立了其二維有限元模型，分析其工作原理，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)及電磁分析，驗(yàn)證了該電機(jī)的低
本文提出一種雙定子中間轉(zhuǎn)子游標(biāo)電機(jī)，建立了其二維有限元模型，分析其工作原理，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)及電磁分析，驗(yàn)證了該電機(jī)的低速大轉(zhuǎn)矩特性。
1 電機(jī)結(jié)構(gòu)與原理
電機(jī)結(jié)構(gòu)
圖1為所提出電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，表1為其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。圖2為此游標(biāo)電機(jī)的裝配示意圖。繞有電樞繞組的內(nèi)定子安置于端蓋延伸出的基座上，基座內(nèi)側(cè)空間放置輸出轉(zhuǎn)軸，外定子置于機(jī)殼的內(nèi)側(cè)壁上。轉(zhuǎn)子如圖3所示，其為磁鋼與籠條的復(fù)合結(jié)構(gòu)。其中，籠條使用的是具有一定機(jī)械強(qiáng)度的非導(dǎo)磁材料，既承擔(dān)固定磁鋼組成傳動(dòng)構(gòu)件又起到隔磁的作用。籠條的軸向長度長于磁鋼，兩端由端環(huán)固定，端環(huán)上開有螺孔，以便與轉(zhuǎn)軸固定連接。圖4為該電機(jī)拆分圖，為便于清晰的體現(xiàn)電機(jī)結(jié)構(gòu)，圖中沒有給出轉(zhuǎn)軸及端環(huán)，籠條軸向尺寸也僅取與磁鋼長度相同的部分。
圖1 游標(biāo)電機(jī)二維模型
Fig.1 2D model of vernier motor
表1 游標(biāo)電機(jī)參數(shù)參數(shù)
Table 1 Design parameters of the proposed motor
 
圖2 游標(biāo)電機(jī)剖面示意圖
Fig.2 Sectional view of vernier machine
圖3 游標(biāo)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.3 Stucture of vernier motor rotor
圖4 游標(biāo)電機(jī)拆分圖
Fig.4 Spilt diagram of vernier motor
工作原理
游標(biāo)電機(jī)與永磁齒輪都是基于磁通調(diào)制原理而工作的，其設(shè)計(jì)原則也相似。永磁齒輪由高速內(nèi)轉(zhuǎn)子、調(diào)磁環(huán)、低速外轉(zhuǎn)子組成，游標(biāo)電機(jī)用高速旋轉(zhuǎn)的電樞磁場代替高速內(nèi)轉(zhuǎn)子，經(jīng)定子齒的磁通調(diào)制作用，完成低速大轉(zhuǎn)矩輸出。
游標(biāo)電機(jī)中轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)、定子磁極對(duì)數(shù)、定子齒數(shù)和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：
(1)
其中：p是內(nèi)定子電樞繞組產(chǎn)生的磁極對(duì)數(shù)，ns是游標(biāo)電機(jī)定子齒數(shù)。磁密空間諧波的旋轉(zhuǎn)角速度為
(2)
當(dāng)m=1，k=-1時(shí)經(jīng)由定子齒調(diào)制后的氣隙諧波磁場最強(qiáng)，電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場具有相同的電角速度，二者轉(zhuǎn)速按照一定的比例運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，可得轉(zhuǎn)速比為
(3)
這里，選擇內(nèi)定子極對(duì)數(shù)為2對(duì)極，定子齒數(shù)為24個(gè)，轉(zhuǎn)子磁極為22對(duì)，調(diào)速比為-11/1，負(fù)號(hào)表示電機(jī)轉(zhuǎn)向與定子磁場轉(zhuǎn)向相反。
2 參數(shù)影響及優(yōu)化設(shè)計(jì)
在電機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展過程中，磁路法一直受到設(shè)計(jì)者的青睞，但對(duì)于游標(biāo)電機(jī)來說，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的磁路分析十分困難，而采用有限元法進(jìn)行分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)是解決這一問題很好的途徑。由于定子齒是引起定轉(zhuǎn)子不同極的原因，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能影響較大，這里對(duì)定子齒進(jìn)行優(yōu)化。
2.1 定子齒寬優(yōu)化
游標(biāo)電機(jī)中，具有磁通調(diào)制作用的定子齒的周向?qū)挾葘?duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩等運(yùn)行性能等有較大的影響。如圖5所示，以內(nèi)定子為例，定義一個(gè)齒槽為一個(gè)磁通調(diào)制單元，其中定子槽周向?qū)挾葘?duì)應(yīng)的圓心角為θ1,定子齒對(duì)應(yīng)的圓心角為θ2。因此，定子齒寬度在周向所占比例可由下式計(jì)算
(4)
取內(nèi)外定子齒寬度在周向所占比例為控制變量，維持其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變進(jìn)行優(yōu)化分析，游標(biāo)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨該比例變化關(guān)系如圖6所示。從圖中可以看出，在內(nèi)定子齒周向所占比例為45%、外定子齒周向所占比例為35%時(shí)，得到的穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩最大。
2.2 定子齒高的優(yōu)化
確定定子齒寬度后，以內(nèi)外定子齒徑向高度為變量進(jìn)行優(yōu)化，所得輸出轉(zhuǎn)矩隨該變量變化關(guān)系如圖7所示。
圖5 游標(biāo)電機(jī)調(diào)制單元示意圖
Fig.5 View of flux modulation unit
圖6 輸出轉(zhuǎn)矩隨定子齒寬度變化曲線
Fig.6 Curve of output torque variety with the width of stator teeth
圖7 輸出轉(zhuǎn)矩隨定子齒高度變化曲線
Fig.7 Curve of output torque variety with the height of stator teeth
由圖中可以看出，在內(nèi)定子齒高為11 mm，外定子齒高為6 mm時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出最大，其值為77 N·m。
3 電磁性能分析
3.1 磁場分析
對(duì)優(yōu)化后的游標(biāo)電機(jī)的空載及負(fù)載工況進(jìn)行了有限元分析，圖8為其空載磁力線分布圖?？蛰d時(shí)，轉(zhuǎn)子磁力線經(jīng)由內(nèi)外定子齒分別進(jìn)入到內(nèi)外定子軛中。因?yàn)檗D(zhuǎn)子為22對(duì)極且定子齒為24個(gè)，根據(jù)磁通調(diào)制原理，內(nèi)外定子處將產(chǎn)生4極旋轉(zhuǎn)磁場。
圖8 空載磁力線分布
Fig.8 Flux lines distribution of no_load
圖9為10 A負(fù)載時(shí)的磁力線分布圖。負(fù)載時(shí)，電樞及外定子處均為4極磁場，磁通經(jīng)由內(nèi)外定子齒的調(diào)制作用，在兩側(cè)氣隙中產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)相等的同向旋轉(zhuǎn)磁場，拖拽轉(zhuǎn)子磁極。相比只能在一側(cè)與轉(zhuǎn)子磁極相互作用的單氣隙電機(jī)，提高了磁鋼利用率，增強(qiáng)了電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力。
圖9 負(fù)載磁力線分布
Fig.9 Flux lines distribution of on_load
圖10為10 A負(fù)載時(shí)磁密云圖。由圖可知，電機(jī)飽和程度不高，可以適當(dāng)?shù)脑龃箅姌须娏鲝亩@得更大轉(zhuǎn)矩輸出。
圖11(a)、圖11(b)為空載時(shí)電機(jī)內(nèi)側(cè)徑向氣隙磁密及其諧波分析，圖11(c)、圖11(d)為電機(jī)外側(cè)徑向氣隙磁密及其諧波分析。從分析的結(jié)果可以看出，由于轉(zhuǎn)子磁極為22對(duì)，在內(nèi)外側(cè)氣隙中均為22對(duì)極磁場最強(qiáng)，其他次磁場相對(duì)較弱。
圖10 負(fù)載磁密云圖
Fig.10 Magnetic filed distribution of on_load
3.2 反電勢(shì)分析
圖12為此游標(biāo)電機(jī)的空載反電勢(shì)波形。
取A相一個(gè)周期進(jìn)行諧波分析，結(jié)果如圖13所示。其中，游標(biāo)電機(jī)的基波幅值為230 V，3次諧波幅值為7.7 V，其他次諧波基本為0。由諧波畸變率計(jì)算公式(5)可得空載反電勢(shì)諧波畸變率為3.316%，反電勢(shì)波形正弦度高，有利于電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。
THD=(Unrms/U1rms)×100%。
 
(5)式中：THD為諧波總畸變率；Unrms為諧波含量的方均根值；U1rms為基波的方均根值。
3.3 齒槽轉(zhuǎn)矩分析
齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)繞組不通電時(shí)永磁體和鐵心之間相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，是由永磁體與電樞齒間的相互作用力的切向分量的波動(dòng)引起[15]。齒槽轉(zhuǎn)矩周期為
(6)
其中：Tcog為齒槽轉(zhuǎn)矩周期，LCM(z,2p)表示永磁電機(jī)極數(shù)與槽數(shù)的最小公倍數(shù)，其數(shù)值越大，齒槽轉(zhuǎn)矩的周期越小，轉(zhuǎn)矩幅值越小。
圖14為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過12度的齒槽轉(zhuǎn)矩曲線。游標(biāo)電機(jī)由于其特殊的定子齒槽結(jié)構(gòu)，與常規(guī)永磁電機(jī)相比，定子槽數(shù)增加一倍，若選擇合適的電機(jī)極數(shù)，將增大該電機(jī)極槽配合的最小公倍數(shù)，對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩有一定程度的抑制作用。
圖11 內(nèi)外側(cè)氣隙磁密及諧波分析
Fig.11 Flux density and harmonic analysis of inner and outer air gap
圖12 空載反電勢(shì)曲線
Fig.12 Curve of no_load electromotive force
圖13 A相空載反電勢(shì)諧波分析
Fig.13 Harmonic analysis of A phase no_load electromotive force
圖14 齒槽轉(zhuǎn)矩曲線
Fig.14 Curve of cogging torque
3.4 轉(zhuǎn)矩及功率因數(shù)分析
圖15為該電機(jī)在輸入電流為2 A至12 A下所對(duì)應(yīng)的的輸出轉(zhuǎn)矩及功率因數(shù)曲線。由圖中可以看出，轉(zhuǎn)矩隨輸入電流的增大而增大，功率因數(shù)則為下降趨勢(shì)。
圖15 轉(zhuǎn)矩及功率因數(shù)與輸入電流的關(guān)系
Fig.15 Relationship of torque and corresponding power factor with current
圖16為電機(jī)在輸入電流為10 A時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩曲線，輸出轉(zhuǎn)矩平均值為77 N·m，峰-峰值為1 N·m，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩輸出。
圖16 輸出轉(zhuǎn)矩曲線
Fig.16 Curve of output torque
 
4 結(jié) 論
本文提出了一臺(tái)新型永磁游標(biāo)電機(jī)，利用有限元軟件建立了該電機(jī)二維模型，對(duì)影響電機(jī)性能較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化后的電機(jī)進(jìn)行了電磁分析，得到以下結(jié)論：
1)本文所提出電機(jī)轉(zhuǎn)子為22對(duì)極，定子齒為24個(gè)，通過磁通調(diào)制作用，在內(nèi)外定子處均產(chǎn)生了4極磁場，證明了理論分析的正確性。
2)對(duì)電機(jī)定子齒的寬度、高度及其配比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在內(nèi)定子齒寬為45%、齒高為11 mm；外定子齒寬為35%、齒高為6 mm時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩最大。
3)對(duì)電機(jī)A相空載反電勢(shì)進(jìn)行諧波分析，結(jié)果顯示其基波含量大，諧波總畸變率低，反電勢(shì)正弦度高，有利于降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，使其穩(wěn)定運(yùn)行。
4)該電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其齒槽轉(zhuǎn)矩較小，周期為同條件下12槽電機(jī)的一半，證明由于游標(biāo)電機(jī)特殊定子齒槽結(jié)構(gòu)，減小了轉(zhuǎn)矩周期，對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩幅值有所削弱。
5)電機(jī)輸出端的轉(zhuǎn)速為電樞磁場轉(zhuǎn)速的1/11，不需要額外的減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，相對(duì)于常規(guī)直驅(qū)電機(jī)在同轉(zhuǎn)矩情況下體積大幅減小， 十分適用于電動(dòng)汽車等直接驅(qū)動(dòng)場合。
 
 
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