雙凸極電勵磁起動電機的設計與分析

蔡一正，戴衛力，翟蘇巍

(1.江蘇省輸配電裝備技術重點實驗室,常州 213022;2.河海大學,常州 213022)

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雙凸極電勵磁起動電機的設計與分析

蔡一正1，2，戴衛力1，2，翟蘇巍1，2

(1.江蘇省輸配電裝備技術重點實驗室,常州 213022;2.河海大學,常州 213022)

根據某型起動機的基本要求，設計了一臺12/8極雙凸極電勵磁起動電機，給出了電機的基本結構，詳細敘述了電機的基本設計方法和流程，給出了雙凸極電機的功率尺寸方程和勵磁繞組的匝數確定原則，并驗證了電機的槽滿率。同時，根據所設計電機尺寸，建立了有限元分析模型，對電機的氣隙磁密、反電勢、磁鏈以及空載特性等進行了分析與仿真驗證。最后，還通過“場-路”結合建立了雙凸極電機驅動仿真系統，進行了標準角度控制下的仿真，給出了關鍵仿真波形，仿真結果驗證了電機設計的合理性和正確性。

雙凸極電機；電勵磁；有限元分析；場-路聯合仿真

0 引 言

雙凸極電機是在開關磁阻電機[1-2]基礎上發展起來的一種新型電機，具有結構簡單，控制方便，容錯性好，功率密度和效率高等優點，在電動汽車、風力發電、航空航天等領域具有廣闊的發展前景[3-5]。上世紀90年代T.A.Lipo教授提出的雙凸極永磁電機(以下簡稱DSPM)[6-7]由于采用永磁體勵磁，因而作電動運行時，不能進行弱磁升速，作發電運行時，無法進行故障下滅磁。因此學者們隨后提出了雙凸極電勵磁電機(以下簡稱DSEM)[8-9]，采用通電繞組代替永磁體進行激磁。DSEM用作發電機時可以通過改變勵磁電流實現調壓，若電機發生故障時，可以及時切斷勵磁電流進行滅磁。

目前對于雙凸極電機的設計方法，主要集中在DSPM的設計，而對于DSEM的設計,公開文獻較少。本文研究了DSEM的基本設計方法，詳細敘述了DSEM設計流程，并給出了相應的尺寸方程。通過有限元建模設計一臺12/8極DSEM，并對其氣隙磁密、磁鏈、反電勢、空載特性等電磁特性進行分析。最后建立“場-路”聯合仿真模型，對其負載機械特性進行仿真分析。仿真結果表明,設計結果基本符合預期設計要求，適合作為起動電機使用。

1 DSEM基本結構

圖1為本文提出的DSEM的截面圖， DSEM定、轉子結構均為凸極結構且極弧大小相等，圖示“×”代表流入，電流為正；“·”代表流出，電流為負。每

圖1 DSEM基本結構

個定子齒中都裝有電樞繞組，每隔90°機械角的定子繞組相互串聯構成一個相繞組。定子和轉子鐵心采用硅鋼片疊壓而成，轉子上無繞組。該電機的氣隙磁場大小可通過改變勵磁電流大小進行調節。

該電機定、轉子采用軟磁合金1J22，其B-H曲線如圖2所示。為了保證電機的利用率，同時避免定、轉子因為過度飽和，本文選擇2.4 T作為DSEM的額定工作磁密。

圖2 1J22材料B-H曲線

2 基本參數設計

DSEM與DSPM相比，兩者同為磁阻型電機，DSEM采用了電勵磁繞組替代了永磁體，因而其設計過程可參照永磁電機與開關磁阻的設計過程[10-11]。本文DSEM起動電機的設計要求為：額定負載25 N·m時，輸出功率7 kW。

2.1 DSEM定、轉子極數確定

對于DSEM的定、轉子極數的設計滿足下式：

(1)

式中：ps，pr分別代表定、轉子極數，m為電機相數，t為一正整數。為了減小電機運行時產生的鐵損以及變換器產生的開關損耗，一般情況下電機設計轉子極數都低于定子極數。為了保證電機具有自啟動能力，所以設計為三相電機，目前主要研究的是6/4、8/6、12/8極電機。本文選擇12/8極電機具有較小的齒寬，可以減小繞組的銅損，降低成本。

2.2 DSEM尺寸確定

定義電機細長比:

(2)

式中：le為電機軸長，Dro為電機轉子外徑。合適的取值對降低電機損耗十分有益，一般取值范圍0.4～2.0，本文λ取0.54。

電機功率尺寸設計可參照DSPM，可導出DSEM功率尺寸方程如下:

(3)

式中：Dsi為電機定子內徑；P為設計電機額定輸出功率；η為電機效率，設計電機目標額定效率達到0.85；kd為電機漏磁系數，一般取值0.9～0.95，本文取0.9；ke為電樞繞組相電壓和控制反電勢之比，本文取1.5；ki為電流系數，即電樞電流幅值和電流有效值的比值，文中取值為2;Bδ為電機磁負荷，由于雙凸極電機磁路分布不均勻，磁負荷不能過高，本文取0.8T；AS為定子電負荷值，本文取值13 000A/m，ns為額定轉速，初步取2 500r/min,代入上式計算得:

(4)

可初步計算定子內徑和軸長分別為115 mm和60 mm。

對于起動電機,為了獲得較大的輸出轉矩，需要盡可能地縮小氣隙，但是也不能過小，否則很難制作加工。所以一般情況下氣隙都大于0.25 mm，本文氣隙取值0.25 mm。

定、轉子外徑需要滿足下式:

(5)

a的合理設置范圍為0.5～0.7，本文取值為0.65，所以本文DSEM定子外徑選擇176 mm。

對于轉子內徑，為了保證啟動時有足夠的機械強度，根據經驗可按下式進行計算:

(6)

本文中，τ初步取值為0.35，所以轉子內徑初步選擇為40 mm。

2.3 DSEM電樞繞組和勵磁繞組匝數確定

由于DSEM 存在電勵磁繞組和電樞繞組，考慮到電樞槽的空間限制，因此需要考慮電樞繞組匝數和勵磁繞組匝數，其中電樞繞組具體參數參照下式:

(7)

式中：N為電樞繞組匝數，U為電機相電壓，初步設計相電壓幅值為16 V，θw為半個周期內電流導通角度，滿足θw=θon-θoff，根據DSEM基本工作原理可知本文設計DSEM的θw取值為π/8。可計算的N=9.2，初步選擇電樞繞組匝數為8。

勵磁繞組由下式確定:

(8)

式中：Nf為勵磁繞組匝數；If為勵磁電流；Hg為電機額定工作點氣隙磁場強度,其值為Hg=2.4/(4π×10-7)=1.9×106A/m;lg為DSEM氣隙長度；Hiron為DSEM額定工作點定、轉子鐵心磁場強度，DSEM在額定工作時定、轉子磁密約為2.2 T時由電機B-H曲線可知，Hiron取值為4 000 A/m；liron為DSEM定、轉子鐵心磁路長度，可以估算:

(9)

式中：hsp為DSEM定子齒高，初步選取20 mm；hrp為轉子齒高，初步選取20 mm。可求得liron=249.6 mm,代入式(8)得:NfIf=1 948 安·匝。初步選定If為20 A，所以初步選擇勵磁繞組匝數為100匝。

2.4 DSEM線徑選擇和槽滿率校驗

對于繞組線徑的選擇需要考慮電流密度和電樞電流有效值，本文DSEM電樞電流有效值初步給定Irms=200 A，電流密度一般取J=6 A/mm2,所以繞組橫截面積需要:

(10)

查詢漆包線規格表，查得外徑為D=2.1mm導線，使用10股導線并繞得到導電面積Sk=34.64mm2，基本可以滿足導電條件。

考慮到電機裝配問題，還需對上述計算的電樞繞組橫截面積進行槽滿率驗證，一般電機槽滿率取0.4～0.6左右。DSEM電樞槽口面積接近于一個長方形，可近似為：S=19.72×14.06=277.26mm2，根據公式(7)計算的電樞繞組匝數可知，DSEM每個齒槽有4匝電樞繞組，所以槽滿率:

(11)

計算結果表明槽滿率基本符合電機設計要求。

根據上述尺寸方程，設計出電機初始尺寸。然后根據電機起動性能的要求，進行優化設計，最終DSEM具體設計尺寸參數如表1所示。

表1 DSEM的結構參數

3 有限元分析

在Ansfot仿真軟件中建立其有限元模型，并根據有限元模型進行空載磁場、反電勢以及空載特性分析。

3.1 空載磁場分析

圖3建立了通不同勵磁時DSEM空載磁場和氣隙磁密分布圖，此時電機各相磁密由勵磁磁勢建立。當電機空載時，電樞電流為零。勵磁電流增加，定轉子重疊區域下氣隙磁密也隨之增加。當勵磁電流達20 A時，氣隙磁密接近于2.4 T，處于臨界飽和狀態，此時電機利用率較高。

(a)If=5A空載磁場(b)If=20A空載磁場

(c) 不同勵磁電流時氣隙磁密

圖3 不同勵磁電流下DSEM空載磁場、氣隙磁密

3.2 DSEM磁鏈和反電勢

DSEM給定轉速4 200 r/min，勵磁電流為20 A時，三相磁鏈與反電勢的波形如圖4所示。當轉子齒滑入定子齒時，磁鏈隨之增加，當定轉子齒完全重合時，此時磁鏈達到最大值。

(a)三相空載磁鏈

(b)三相空載反電勢

圖4If=20 A,ns=4 200 r/min時空載特性

電機的反電勢可由下式計算：

(12)

式中：ψ是每相磁鏈，ω為DSEM轉速。由上式可知雙凸極電機的每相反電勢與該相磁鏈的上升率成反比，與轉速成正比。三相反電勢相互對稱，波形近似為方波。幅值達到25 V，與設計繞組匝數時預期設計電勢相符合。

3.3 DSEM空載特性

圖5給出了DSEM在n=4 200 r/min時的空載特性。當If=5 A時，DSEM經過三相整流后的輸出電壓為29 V，而隨著勵磁電流的增長，可以看到電勢逐漸趨于穩定。當If達到20 A時，電機趨于飽和。當If<0時,DSEM整流輸出電壓與If>0時相對稱。

圖5ns=4 200 r/min時空載特性

4 系統仿真驗證

在Simplorer中構建DSEM“場-路”聯合仿真系統如圖6所示，采用標準角控制方式，開關管導通順序為S1,S2→S3,S4→S5,S6。給定輸入電壓，經過三相功率變換器控制電機。首先檢測轉子位置，然后通過相應控制器將檢測到的轉子位置轉化為機械角度，最后將機械角度轉化為開關管的驅動信號控制電機運行。由于電機承受最大電流值有限，所以需要在驅動信號前設置滯環對三相電流進行限幅。本文變換器輸入電壓48 V，滯環環寬選擇10 A，三相電流上限和下限分別設為410 A和390 A。

圖6 DSEM驅動系統

圖7給出了電機滿載25 N·m和輕載5 N·m時的仿真波形。DSEM在滿載25 N·m時，轉速能夠達2 680 r/min,輸出功率達7 kW，具有較高的輸出功率。DSEM在輕載5 N·m時，轉速達4 012 r/min，轉速較高。

(a) 負載25 N·m時轉速

(b) 負載25 N·m時A相電樞電流

(c) 負載25 N·m時負載波形

(d) 負載5 N·m時轉速

(e) 負載5 N·m時A相電樞電流

(f) 負載5 N·m時轉矩波形

圖7 DSEM不同負載時仿真波形

圖8給出了DSEM的機械特性波形，隨著負載的增加，DSEM的輸出轉速會隨之下降，但是輸出功率逐漸增加。在負載25 N·m時，輸出功率達到最高。電機空載特性的仿真結果驗證了DSEM設計過程的正確性。同時,通過電機負載機械特性可以看出DSEM具有輸出功率高，帶載能力強等優點,基本達到了預期設計目的。

圖8 DSEM機械特性曲線

5 結 語

本文根據起動機的要求，研究了雙凸極電勵磁電機的基本設計方法，介紹了其基本結構，并給出詳細的設計流程及其尺寸方程，并建立有限元仿真模型，通過對其氣隙磁密、磁鏈和空載反電勢的計算來驗證DSEM設計方法和理論分析的正確性。同時建立其“場-路”聯合仿真，驗證其機械特性與輸出功率。結果表明，本文的雙凸極電勵磁電機是合理的，仿真結果基本達到了預期的設計目的，為此類電機用作起動電機的進一步研究提供了理論基礎和依據。

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Design and Analysis of Double Salient Electro-Magnetic Motor

CAIYi-zheng1，2,DAIWei-li1，2，ZHAISu-wei1，2

(1.Jiangsu Key Laboratory of Power Transmission and Distribution Equipment Technology,Changzhou 213022,China;2.Hohai University,Changzhou 213022,China)

A 12/8 pole doubly salient electro-magnetic motor was designed, according to the basic requirements of a type of starter motor. The basic structure, design method and processes were described in detail and the power dimension equation and the principle of excitation winding turns were derived, then the slot fill factor of the motor was verified. Moreover, the finite element analysis model was established according to the size, the static characteristics were simulated with finite element analysis (FEA) software，including the air gap magnetic flux density, back EMF, flux,and no-load characteristic. Finally, a field-circuit co-simulation model of motor driving system based on standard angle control method was built by electro-magnetic finite element analysis and transient solver of control circuit. The key simulation waveforms were given out. The simulation results verify the rationality and correctness of the design method.

doubly salient motor; electro-magnetic; finite element analysis；field-circuit co-simulation

2015-09-17

國家自然科學基金項目(51207043)；江蘇省自然科學基金項目(BK2012150)

TM35

A

1004-7018(2016)07-0026-04

蔡一正(1991)，男，碩士研究生，研究方向為磁阻電機的設計與控制。