新型盤式橫向磁通電機三維等效磁路研究

蘇士斌, 史儀凱, 崔田田, 袁小慶, 韓康, 馬艷

(西北工業大學 機電學院, 陜西 西安 710072)

橫向磁通永磁電機(transverse flux permanent-magnet motor——TFPM)是一種具有較高轉矩密度的特種電機,與傳統電機的磁路結構不同,TFPM的電樞繞組與主磁路在結構上完全解耦,不存在傳統電機在增加氣隙磁通與繞組電流密度之間結構上的相互制約關系,獲得較高的轉矩密度[1]。由于TFPM轉子級數多,轉速不高,取消齒輪傳動機構,提高了電機的精度和可靠性,尤其是對于多相結構的TFPM 缺相也能運行,提高了系統的容錯能力[2]。

發展至今,已有很多科研機構研制了多種拓撲結構的樣機[3-5]。英國南安普敦大學電機是單邊結構橫向磁通永磁電機[6],采用外轉子結構,定子內部液體冷卻,便于選擇較大的電磁負荷以獲得大的轉矩密度,但結構過于復雜,外轉子結構不易與被驅動機械進行聯接,外轉子圓筒與驅動軸同心度的加工精度要求高。上海大學李永斌等人[7]研制了1臺4相15對極的橫向磁通永磁電機,其采用公共聯接鐵芯解決磁路連通問題,但公共聯接鐵芯與空氣大面積接觸,漏磁很大。很多電機的拓撲結構在軸向尺寸都比較大,不適合直接應用于電動汽車的輪轂電機。Seyedmohsen Hosseini[8]等人設計了1臺盤式發電機,獲得了很好的磁路性能,輸出轉矩較大,但其自定位力矩大,在低速運行時會產生爬坡現象,嚴重影響電機的啟動性能和低速工作性能。

本文在文獻[9]設計的四相平板式橫向磁通永磁電機和盤式電機的基礎上,提出了新型盤式橫向磁通電機。結合橫向磁場永磁電動機的結構特點和磁路參數的變化規律,通過三維有限元軟件和三維磁網絡法法研究了新型盤式電機的磁通磁阻和氣隙磁密分布,為進一步研究盤式橫向磁場永磁提供了理論基礎。

1 新型盤式TFPM

為了設計出適宜于電動汽車的驅動電機,并充分發揮汽車輪轂的空間作用,本文提出了一種新型盤式橫向磁通電機拓撲結構。該新型電機結構采用E型硅鋼片,取代了文獻[7]中公共聯接鐵芯,簡化了結構,降低了加工難度和成本;該新型樣機采用兩側組合的定子結構,兩側定子結構相同,其分布錯開90°電度角,克服了自定位力矩大的缺點,減小了轉動脈矩。

新型盤式TFPM主體結構如圖1所示,定子部分為上下2層E型硅鋼陣列構成,每組E型硅鋼陣列分為3組,構成每相定子,分別繞置漆包線圈;中間為鑲嵌于轉子盤上的釹鐵硼N35圓形陣列,每相鄰2個永磁體的端面極性相反。在盤式電機中,距

離軸心較遠處的電磁力將產生更大電磁轉矩,為了充分發揮外層轉子永磁體的力矩特性,將3層永磁體的面積進行了優化,由內及外3層轉子永磁體的表面積為3∶8∶6,使永磁體利用率與力矩間的關系達到最優。

圖1 新型盤式橫向磁通電機主體結構圖

2 等效磁網絡分析

在TFPM中,電樞電流產生的定子磁場和永磁體產生的轉子磁場各自處在相互垂直的不同平面內,呈三維分布,必須采用三維場進行分析。三維場的有限元法分析計算量很大,而三維磁網絡法是一種可以用于三維磁場數值分析的方法,而其計算量要小得多。

網絡法的基本方法是將場域剖分為許多長方體網絡單元,每個網絡單元看成是一段磁路,由等效磁動勢和等效磁導2個量表征它的磁性能,不存在勵磁源的網絡單元,則只有等效磁導,其等效磁動勢為零。采用網絡法需要分析新型樣機的磁路,新型盤式橫向磁通永磁電機的一對極中的磁路如圖2所示,其中的箭頭表示部分磁通通過的路徑。

圖2 新型盤式電機一對極中的磁路

由于釹鐵硼永磁材料的去磁曲線接近直線,因此每個永磁體均可以用等效磁勢源來代替。永磁體所產生的磁感應強度B和磁場強度H之間的關系如下:

B=μp(Hc+Hges)

(1)

式中：Hc為永磁體矯頑力,Hges為磁場強度,B磁感應強度。

本文采用三維等效磁網絡法建立新型盤式樣機模型的等效磁網絡[10-11],如圖3所示。

圖3 新型盤式樣機模型的等效磁網絡

圖3中,Fa為電樞磁動勢;Ra為E型硅鋼定子齒磁阻;FM1、FM2、FM3分別為外、中、內3層轉子永磁體產生的磁動勢;RM1、RM2、RM3分別為外、中、內3層轉子永磁體內磁阻;Rgl1-4為對應左側氣隙主磁;Rgr1-4為對應右側氣隙主磁阻。

在不考慮裝配等機械因素影響下,可以假設電機各對應部分的磁路完全對稱,考慮圖3磁路圖中外層E型硅鋼定子齒的磁通量較內層定子齒的大,所以設計外外層永磁體的面積之比為2∶1,以充分發揮外層永磁體的電磁力,產生更高的電磁轉矩,則有FM1∶FM2∶FM3=6∶8∶3。另取RM1、RM2、RM3的平均永磁體磁阻為RM,取Rgl1、Rgl2、Rgl3、Rgl4的平均氣隙磁阻為Rgl,Rgr1、Rgr2、Rgr3、Rgr4的平均氣隙磁阻為Rgr。

新型盤式TFPM每相每極永磁體產生的磁通量可以表示如下:

τlpBmg1Ks

(2)

式中：τ=π·(Rout+Rin)/2p為平均每極在旋轉方向上的長度;lp是定子齒在徑向方向的長度;Bmg1是永磁體在氣隙間產生的最高磁通密度;Ks表示磁路穿過永磁體端面的相對系數。

由圖3得到對應的磁動勢方程如下[7]:

(3)

氣隙等效磁阻Rgl和Rgr是隨著轉子位置的不同而變化的,近似成正弦分布。當轉子永磁體中心正對E型硅鋼定子齒時,氣隙等效磁阻最小,此時電樞磁動勢回路中流過的主磁通量達到最大。當轉子永磁體中心正對2個E型硅鋼定子齒之間時,即相對位置轉過90°電度角,氣隙等效磁阻最大,此時電樞磁動勢回路中流過的主磁通量達到最小,電樞磁動勢回路中沒有任何磁通穿過,轉子永磁體的主磁通全部為漏磁通,主磁通和漏磁系數也就成為一個周期變化的值。

電機等效磁阻直接影響著氣隙磁密,優化電機設計結構,以及采用適當的硅鋼片和永磁體,都可以達到減小磁路磁阻的目的。考慮到新型電機轉子盤兩側定子部分存在一定的對稱性,其氣隙分布也是相同的,在此只對單邊氣隙進行分析。在空載情況下,即只有永磁體產生磁動勢,繞組中不通入電流的情況下,E型硅鋼定子齒中心和轉子永磁體中心對齊時,由外中內3層永磁體產生的氣隙磁密分波形分別如圖4所示。

圖4 新型盤式TFPM氣隙磁密分布圖

3 新型樣機磁密分布

基于上述理論分析及進行的三維有限仿真實驗,本課題組設計并制作了1臺組合雙定子組合的盤式TFPM試驗樣機,樣機轉子盤、單側定子和樣機整體如圖5所示,嵌放于轉子盤上的每相鄰的2個永磁體極性相反。樣機主要設計參數為:氣隙Lδ=2.2 mm,磁極數P=24,額定功率PN=400 W,額定電壓UN=48 V,額定轉速nN=220 r/min。

圖5 新型盤式TFPM實物圖

圖6 新型TFPM 3層氣隙磁密平均曲線

對新型盤式TFPM進行對應點的磁密計算,得到3層永磁體產生的平均氣隙磁密如圖6所示。對比圖4和圖6,可以看出平均氣隙磁密和每層的氣隙磁密基本一致,說明了上述研究分析的正確性。

4 結 論

橫向磁通永磁電機具有轉速低、轉矩密度高、電磁解耦、控制方便等特性,特別適合于要求低速、大轉矩、直接驅動的場合。本文設計了1臺盤式橫向磁通電機,提高了永磁體和空間利用率高等特點,并采用三維等效磁網絡法對樣機的氣隙磁密進行研究,計算了樣機的平均氣隙磁密,氣隙磁密分布結果基本一致,證明了上述研究方法的有效性、樣機設計的正確性。目前,我國正在大力研究橫向磁通永磁通電機和電動汽車,相信上述研究和進一步的研究會為我國在以上領域的研究奠定一定的基礎。

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