五相容錯圓筒永磁直線電機的設計與分析

陸 震,劉平原,周華偉,劉國海

(1.江蘇大學,鎮江212013;2.蘇州UL美華認證有限公司,蘇州215000)

0 引 言

隨著人們對環境問題關注度的日益提高,促使電動汽車的發展愈來愈快[1-3]。同時,汽車也逐漸向更小化,更高的重心和更少的尾氣排放量的方向發展,對懸架系統性能的要求也隨之增加[4]。傳統的被動式懸架系統在輪胎與路面附著穩定性、承重能力以及乘客的乘坐舒適性方面存在相互矛盾和制約的缺陷,而相比于傳統的被動式懸架系統,主動式懸架系統可以及時改變自身的動態性能以適應不同的道路狀況,從而在不損失行駛性能的情況下提供更優越的響應和處理能力,提高側傾穩定性和行駛安全性[5-6]。所以,作為主動式懸架系統的核心部件,直線電機也逐漸成為研究熱點。

在文獻[7-9]中,提出了許多可應用在懸架系統中的直線電機模型和拓撲結構。其中,相比于平板直線電機,圓筒永磁直線電機以其較高的永磁體利用率和無邊端繞組影響而受到越來越多的關注。另外,表貼式永磁電機和內嵌式永磁電機相比有著諸多優點,比如反電動勢波形和氣隙磁密波形更加正弦、功率密度更大等[11]。所以,圓筒表貼式永磁直線電機更適合于性能要求更高的主動式汽車懸架系統中。

懸架系統中的任何一次故障都可能影響駕乘的舒適性、導致嚴重的事故甚至影響生命財產安全,所以,電機高可靠性對于直線電磁懸架系統尤為重要[12]。盡管許多圓筒表貼式永磁直線電機已經提出,但是還沒有提出具有較好容錯能力的拓撲結構,以實現在物理上和磁路上的隔離。所以,采用添加容錯齒的新型設計理念來提高圓筒直線電機的容錯能力能很好地解決該問題。

本文提出一種新型的五相容錯式圓筒表貼式永磁直線電機,該電機不僅可以提供高推力,更低的推力脈動,同時擁有較好的容錯性能,以保證電機的運行可靠性。首先,分析了該電機的拓撲結構,包括電機的主要設計參數和運行原理。其次,對電機的主要電磁性能進行有限元仿真分析,從而驗證了該電機具有較好的電磁特性。

1 電機拓撲模型

1.1 電機結構

圖1為本文提出的五相容錯圓筒表貼式永磁直線(以下簡稱FTT-SPM)電機的3D結構模型圖。可以看出,電機永磁體采用表貼式,并置于電機次級動子上,永磁體和次級動子均為環形形狀并固定在非導磁支撐管上。電機采用分數槽集中繞組結構,初級定子槽數和次級動子永磁體極對數分別為20和9。電機采用單層集中繞組,即每個槽內只放置來自某一相的一套電樞繞組,且每相線圈由兩套繞組組成。電機的主要設計參數的優化模型如圖2所示,優化后的參數如表1所示。

圖1 電機結構圖

圖2 電機主要參數優化模型

表1 樣機的主要技術參數

FTT-SPM電機拓撲結構的關鍵是容錯齒和單層集中分數槽繞組的引入,將容錯齒和電樞齒交替排布使得初級定子相鄰相繞組被完全隔離,即使當電機某一相發生故障時,剩余其他無故障相可以繼續正常工作,從而提高電機的容錯性能。

定子齒包括兩部分:電樞齒和容錯齒。電樞齒上纏有繞組,而容錯齒上無繞組,起到阻隔磁路的作用,如圖3(b)和圖7(b)所示。圖1中電樞齒和容錯齒一樣大,經過優化得到,當電樞齒和容錯齒一樣大時,反電勢正弦度最好且幅值最大。所以,雖然電樞齒和容錯齒看似沒有區別,但其實兩者作用不同。

1.2 繞組分布

相鄰槽之間相差的電角度:

式中:ps為電樞繞組極對數;z為定子槽數。通過式(1)可求出電機的相鄰槽相差的電角度為162°。另外,繞組極距y可以表示成:

通過式(1)和式(2)可求得FTT-SPM電機的繞組極距為1,即電機采用集中繞組連接方式。圖3為電機分相示意圖,其中圖3(a)為電機槽電勢星形圖,圖3(b)為繞組分相連接圖。

圖3 電機分相示意圖

1.3 運行原理

根據磁阻最小原理,永磁體產生的磁力線總是經過磁阻最小的磁通路徑。圖4為電機動子在4個主要位置時的磁力線分布圖。這4個位置的磁力線走勢說明了FTT-SPM電機的運行原理。

圖4 電機工作原理示意圖

隨著動子向左移動,由圖4表示的動子在4個位置的磁力線分布圖可以看出磁力線在A相繞組中的交鏈路徑。首先,在位置A和位置C時,磁力線從動子永磁體內穿出,然后進入電樞齒中,最終又回到永磁體內部,沒有在線圈繞組中形成交鏈,此時A相的總磁鏈為0。當動子移動到位置B時,磁力線從永磁體中穿出進入初級定子電樞齒中,與線圈繞組進行充分交鏈,此時A相磁鏈達到最大值。相反,當電機動子運動到位置D時,A相磁鏈達到反向最大值。所以,隨著電機動子不斷移動,線圈繞組中的磁鏈將周期性的變化。同時由于上述運行原理,將實現電機相與相之間的磁路解耦,從而提高電機的容錯性能。

2 有限元分析

為了能夠準確分析電機性能,本文對FTT-SPM電機進行了有限元分析。主要包括電機空載永磁磁鏈和空載反電動勢、自感和互感、容錯性能、定位力和推力等電磁特性。

2.1 空載磁鏈和反電動勢

電機的空載永磁磁鏈波形如圖5所示。可見,FTT-SPM電機的五相永磁磁鏈波形對稱平衡,電機幾乎不受邊端效應的影響,從而保證了電機的其他性能。

圖5 磁鏈波形圖

式中:ψ代表電機的永磁磁鏈;v為電機動子的額定機械速度;x為動子的位移。圖6為電機的空載反電動勢波形圖。可以看出,電機的空載反電動勢波形不僅對稱且正弦度高。

電機某一相的空載反電動勢E可以表示:

圖6 空載反電動勢波形圖

2.2 電感和容錯性能

圖7 電機磁力線分布圖

圖8 電感波形圖

圖7為電機永磁體和某一相線圈繞組單獨作用時的磁力線分布圖。從圖7(b)可以看出,磁力線只從相鄰的容錯齒中穿過,而未通過相鄰的電樞齒。容錯齒的存在使得電機相與相之間實現了解耦,相鄰兩相的磁場被相互獨立,提高了電機的容錯性能,從而使得電機可以應用于可靠性要求較高的懸架系統中。

互感是表征電機相與相之間磁耦合程度的另一性能指標。電機互感足夠小時,當電機的某一相發生故障,其他相不受影響而正常工作,從而保證電機的容錯性能。圖8為電機的自感互感波形。經計算可得電機互感自感比為1.4%。可見,電機各相在物理上、電場上、磁場上徹底地分離與獨立,因此,FTT-SPM電機具有較好的容錯性能。

2.3 定位力和推力

定位力是描述電機空載性能的重要參數。定位力越小,電機的效率越高,電機的性能越好。國內外學者已經提出了很多減小定位力的方法。其中,對電機定子長度進行優化以減小定位力是一種簡單有效的方法。本文在保證電機極槽配比的情況下通過對電機邊端齒的寬度進行優化,以改變電機定子的長度,從而減小定位力,具體優化模型如圖9所示。圖10為電機定位力在優化前和優化后的對比。電機定位力從80 N減小到30 N,可見,通過優化定子長度可以大幅減小定位力。

圖9 定位力優化參數模型圖

圖10 優化前后定位力波形對比圖

圖11為電機額定推力的波形圖。可以看出,電機具有較高的推力能力和較小的推力脈動。

圖11 推力波形圖

3 結 語

本文提出了一種用于主動懸架系統的新型五相容錯圓筒表貼式永磁直線電機。該電機設計的關鍵是引入容錯齒和單層集中分數槽繞組使電機相與相之間實現隔離,大大提高電機的容錯性能。通過有限元分析軟件對電機的主要電磁性能進行定性和定量分析,仿真分析結果表明本文提出的電機具有較高的反電動勢正弦度、高推力密度以及較好的容錯性能,同時運用簡單有效的方法降低電機的定位力。

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