一種磁通反向式永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化方案的研究

盧 棟，亢 凱，吳 昊

(山東大學(xué)，濟(jì)南 250061)

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一種磁通反向式永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化方案的研究

盧 棟，亢 凱，吳 昊

(山東大學(xué)，濟(jì)南 250061)

針對磁通反向式永磁電機(jī)較為突出的齒槽轉(zhuǎn)矩問題，通過二維有限元軟件仿真比較了三種不同結(jié)構(gòu)的磁通反向式永磁電機(jī)即內(nèi)、外轉(zhuǎn)子等齒寬及內(nèi)轉(zhuǎn)子不等齒寬的齒槽轉(zhuǎn)矩。仿真分析表明，由原有樣機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子齒等寬轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)子齒寬度為8°和20°相結(jié)合的結(jié)構(gòu)可最大程度上消弱齒槽轉(zhuǎn)矩。

磁通反向式永磁電機(jī)；齒槽轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)子不等齒寬；仿真分析

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會(huì)電氣化水平的提高，電機(jī)產(chǎn)品在眾多領(lǐng)域都發(fā)揮著不可替代的作用，并且朝著小型化、輕型化的趨勢發(fā)展。人們對電機(jī)的要求也越來越高，包括運(yùn)行更加平穩(wěn)，更高的功率密度，控制更加靈活，更強(qiáng)的惡劣環(huán)境適應(yīng)能力等方面。基于目前的電機(jī)發(fā)展趨勢，將開關(guān)磁阻電機(jī)與永磁電機(jī)(無刷直流電機(jī))有機(jī)結(jié)合的磁通反向式永磁電機(jī)(以下簡稱FRM)應(yīng)運(yùn)而生，兼具二者的雙重優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的雙凸極永磁電機(jī)[1]。

由于電機(jī)自身的雙凸極結(jié)構(gòu)， 會(huì)產(chǎn)生較大的齒槽轉(zhuǎn)矩，從而引起電機(jī)振動(dòng)和噪聲。針對FRM齒槽轉(zhuǎn)矩的問題，有研究者通過采用改變永磁體形狀、斜極[2]、轉(zhuǎn)子分段法[3]等方法試圖達(dá)到削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的目的。本文給出了一種轉(zhuǎn)子凸極不等齒寬削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化方案，利用電磁場有限元分析，計(jì)算使用本方案前后的齒槽轉(zhuǎn)矩，通過對比分析，驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 內(nèi)、外轉(zhuǎn)子等齒寬的FRM齒槽轉(zhuǎn)矩的比較分析

本文根據(jù)研究需求，設(shè)計(jì)出了容量、尺寸、造價(jià)基本一致的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子等齒寬磁通反向式永磁電機(jī)，即6/14極外轉(zhuǎn)子等齒寬FRM如圖1所示，6/14極內(nèi)轉(zhuǎn)子等齒寬FRM如圖2所示。

圖1 6/14極外轉(zhuǎn)子等齒寬FRM結(jié)構(gòu)圖

圖2 6/14極內(nèi)轉(zhuǎn)子等齒寬FRM結(jié)構(gòu)圖

目前進(jìn)行試驗(yàn)的樣機(jī)為6/14極內(nèi)轉(zhuǎn)子FRM，如圖2所示。電機(jī)結(jié)構(gòu)為6個(gè)定子凸極和14個(gè)轉(zhuǎn)子凸極，繞組放置在定子凸極上，并采用集中繞組的形式，空間相對的兩個(gè)定子齒上的繞組串聯(lián)構(gòu)成一相，永磁安置在定子凸極齒上，每個(gè)定子凸極齒裝有兩對永磁體，相鄰定子極下靠近的兩塊永磁體充磁方向相同。

根據(jù)有限元分析，我們可以計(jì)算得出電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的值，采用磁動(dòng)勢圖表法，畫出在一個(gè)齒槽轉(zhuǎn)矩周期內(nèi)磁通對應(yīng)于磁動(dòng)勢的變化波形。只要獲得任一極下的磁動(dòng)勢圖，就可以容易地推算出隨著轉(zhuǎn)子位置的變化所產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值[4-6]，如下：

(1)

然后將每一個(gè)極下的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行疊加，就可以獲得電機(jī)總的齒槽轉(zhuǎn)矩。本文采用Ansoft仿真軟件對6/14極外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的FRM進(jìn)行有限元計(jì)算，得出的電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩如圖3所示。

圖3 6/14極外轉(zhuǎn)子等齒寬FRM的齒槽轉(zhuǎn)矩

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，在沒有斜極等減小齒槽轉(zhuǎn)矩措施的情況下，外轉(zhuǎn)子FRM的齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較為明顯，并且數(shù)值較大，嚴(yán)重影響了電機(jī)的性能。

將外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的FRM設(shè)計(jì)成具有和內(nèi)轉(zhuǎn)子的FRM相似或相近的尺寸和參數(shù)，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)同外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的FRM的齒槽轉(zhuǎn)矩對比如圖4所示。

圖4 內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的齒槽轉(zhuǎn)矩比較

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，與相同尺寸下的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，兩者的齒槽轉(zhuǎn)矩都比較明顯，并且波動(dòng)較大，但是外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩比內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)波動(dòng)更為明顯，并且幅值較大。所以在齒槽轉(zhuǎn)矩方面，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁通反向式永磁電機(jī)的樣機(jī)要優(yōu)于外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的FRM。

2 改變轉(zhuǎn)子齒寬對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

由上文可以看出，采用內(nèi)、外轉(zhuǎn)子等齒寬結(jié)構(gòu)的FRM齒槽轉(zhuǎn)矩都會(huì)很大。對于內(nèi)轉(zhuǎn)子FRM，如果保持定子結(jié)構(gòu)不變，改變轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)子齒變?yōu)閷捳蓪Τ霈F(xiàn)，如圖5所示。這樣可以使得寬極和窄極產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩相互抵消，會(huì)對電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生更好的削弱效果。

圖5 6/14極內(nèi)轉(zhuǎn)子不等齒寬FRM結(jié)構(gòu)圖

通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)可以得出，根據(jù)轉(zhuǎn)子齒寬度β不同，電機(jī)所產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩圖如圖6所示。從圖6中可以看出，當(dāng)隨著轉(zhuǎn)子齒的寬度β的變化，齒槽轉(zhuǎn)矩的相位和幅值也隨著發(fā)生變化。而且，當(dāng)轉(zhuǎn)子齒的寬度β為8°和20°時(shí)，此時(shí)所產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩有著近似相同的形狀，并且幅值近似相等。

從圖6中我們可以看到，β=8°時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩波形與β=20°時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩波形是完全相反的，因此，若采用β=8°和β=20°寬窄齒成對配合時(shí) ，齒槽轉(zhuǎn)矩的大小應(yīng)會(huì)明顯削弱。圖7的是采用β=8°和β=20°寬窄齒成對配合時(shí)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩波形，從圖中可以看出，該齒槽轉(zhuǎn)矩僅為等齒寬時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩的30%。

圖6 轉(zhuǎn)子齒寬度β變化時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩

圖7 轉(zhuǎn)子齒寬窄成對結(jié)構(gòu)時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩

圖8顯示的是三種不同的結(jié)構(gòu)，即內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子齒寬度為8°和20°相配合結(jié)構(gòu)時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩對比圖。

圖8 內(nèi)轉(zhuǎn)子等齒寬、外轉(zhuǎn)子等齒寬與內(nèi)轉(zhuǎn)子不等齒寬結(jié)構(gòu)的齒槽轉(zhuǎn)矩比較

根據(jù)圖8所示，將三種電機(jī)同時(shí)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)轉(zhuǎn)子不等齒寬時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩最小，本文提出的方案能夠有效地削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)的性能。

3 結(jié) 語

本文通過對磁通反向式永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的仿真分析，發(fā)現(xiàn)在不改變原有樣機(jī)定子結(jié)構(gòu)及尺寸的前提下，改變轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，由原有的均勻齒改為轉(zhuǎn)子極寬為8°和20°相配合的結(jié)構(gòu)的方法，可以較大程度上消弱電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，采用本文的方法感應(yīng)電勢影響很小。并且該方法在制造工藝上簡單易行，適于生產(chǎn)實(shí)際，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] KIM T H，LEE J.A study of the design for the flux reversal machine[J].IEEE Transactions on Magnetics,2004,40(4):2053-2055.

[2] 李永斌，龔宇，江建中，等．雙凸極永磁電機(jī)斜極轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)和繞組換流模式研究[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20(7)：70-75.

[3] 石有計(jì).消弱磁通反向式電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的有效方法[J].電氣技術(shù),2013,(9):69-78.

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[5] DEODHAR R P,STATON D A,JAHNS T M,et al.Prediction of cogging torque using the flux-MMF diagram technique[J].IEEE Trans.Ind.Applicant.,1996,32(3):569-576.

[6] DEODHAR R P,STATON D A,MILLER T J E.Modeling of skew using the flux-MMF diagram[J].IEEE Trans.Ind.Applicant.,1996,32(6):1339-1347.

Study of a Optimization Scheme of Cogging Torque of the Flux Reversal Permanent Magnet Motor

LU Dong,KANG Kai,Wu Hao

(Shandong University,Jinan 250061,China)

For the rather serious problem of the cogging torque of the flux reversal permanent magnet motor, the cogging torques of three different structures FRM were compared. The three kinds of flux reversal permanent magnet motor with different structure, namely inner rotor with same tooth width FRM, outer rotor with same tooth width FRM, and inner rotor with uneven tooth width FRM, were compared by two-dimensional finite element software. The simulation analysis shows that changing inner rotor with same tooth width FRM to inner rotor with and tooth width FRM can reduce the cogging torque in the largest extent.

flux reversal permanent magnet motor; cogging torque; rotor uneven tooth width; simulation analysis

2015-10-18

TM351

A

1004-7018(2016)03-0001-02