新型直流—磁阻單相復合電機的設計與仿真研究

馬海寧，吳正飛

（1.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.鳴志電器（太倉）有限公司，江蘇 太倉 215413）

電動自行車作為一種低成本的環境友好型便捷交通工具得到了市場的廣泛認可。在帶給人們以便利出行的同時，市場也對電動自行車輪轂驅動電機的成本和性能提出了更高的要求。目前市面上絕大多數的輪轂驅動電機采用永磁式無刷直流電機的方案。盡管無刷直流電機具有效率相對高、工作噪音小、調速性能優越等優點，但電機中的永磁體在電機工作溫度較高和強烈振動等情況下存在退磁風險。開關磁阻電機具有非永磁、凸級式結構，具有結構簡單、價格低廉、可靠性好的優點，因此開關磁阻電機被電動自行車電機領域內的研究者所關注。但其轉矩紋波大、脈動抑制算法較為復雜，大大降低了交通乘用的舒適度。本文設計了一種具有三維磁路的直流-磁阻單相復合電機結構，結合了直流電機和開關磁阻電機的工作原理進行結構設計。按直流電機與開關磁阻電機兩種電機原理配合運行使所產生的轉矩有所重疊增加了輸出轉矩同時降低了轉矩脈動。有限元計算軟件的建模分析結果表明，該電機額復合結構提高了電機的轉矩密度和運行效率。

1 復合電機本體結構設計

如圖1所示，電機結構關于電機旋轉方向對稱，圖中電機軸已略去。電機外轉子外徑為120mm，內徑為106mm，槽深為9mm。凸極寬度為11°、槽寬為9°。在軸向上，外轉子為層狀結構。左右兩端各有三層絕緣性高磁導率盤狀材料組成的導磁層夾住兩層輻條直流電樞，每層導磁層用多張硅鋼片緊密疊壓而成。輻條直流電樞為具有18根輻條的輪盤狀銅片，厚度為8mm。整個電機共具有四個輻條直流電樞繞組輻條輪盤。在電機工作時，電流經輻條徑向流動，且四個輪盤上的電流流向一致。外轉子圓筒由硅鋼沖片疊壓而成，與軸向兩端的輻條直流電樞和導磁層共同構成18/18直流-磁阻單相復合電機的外轉子。

圖1 直流-磁阻單相復合電機剖面示意圖

內定子在軸向上同樣為層狀分布。內定子槽底沖片疊放，兩端為疊放的圓盤沖片，形成的槽中繞有軸向勵磁繞組。軸向勵磁繞組槽寬5.8mm、槽深為67mm。內定子的凸極數為18個，凸極寬度為14°、槽寬6°。如圖2所示，在內定子的各凸極徑向頂端設有安裝徑向勵磁繞組的外槽，槽上繞有徑向勵磁線圈。內定子與外轉子之間氣隙寬度為0.3mm。

圖2 軸向裝配圖

電機轉子受力為徑向、軸向三維，電機軸兩邊的軸承選用GB/T297-1994深溝球軸承60000型18系列的代號61806。其內徑d=30mm、外徑D=42mm、軸承總寬B=7mm。其內徑d=30mm，與電機軸緊配合；外徑D=42mm，與左右兩邊外轉子圓盤內徑緊密配合。電機內定子鐵芯厚17.4mm，在每個凸極端部，用28張頂部沖片疊壓，填滿軸向電樞繞組槽。定、轉子鐵芯由0.2mm硅鋼片沖制疊壓而成。在內定子鐵芯內繞有軸向勵磁線圈300匝，用以產生軸向磁通。在18個內定子凸極的端部外周上設置有2mm寬、4mm深的繞組槽。槽內設置18個相互串聯的5匝徑向勵磁，要求相鄰凸極繞向相反，以形成N-S-N-S型磁場。磁力線與外轉子圓筒的凸極、軛部、定子凸極環繞而形成各個環形短磁路。

2 運行原理分析

直流-磁阻單相復合電機采用48V直流電壓源供電，徑向勵磁繞組、輻條直流電樞、軸向勵磁繞組的驅動主回路相互獨立，其驅動電路主回路如圖3所示。其中，Us為直流供電電源，D1、D2、D3為快恢復二極管。

圖3 直流-磁阻單相復合電機驅動主回路

徑向勵磁繞組線圈采用不對稱半橋功率變換器結構，通過控制主開關管S1、S2同時開通或者關斷，即可向徑向勵磁繞組中注入脈沖電流。

輻條直流電樞采用H橋功率變換器結構，通過控制主開關管S3、S5或S4、S6，可以在輻條直流電樞中注入方向相反的電流，實現對電機的正反轉控制。

主開關管S7、續流二極管D3、儲能電感L、濾波電容C共同組成了降壓變換器，將直流供電電源電壓降壓后加在軸向勵磁繞組兩端，產生恒定的軸向磁場。

在直流-磁阻復合電極旋轉的過程中，徑向勵磁繞組電感L(θ)隨著位置角θ的增加而周期性的變化。在電感上升區內對徑向勵磁繞組通電，將產生電動轉矩。此時電機工作在開關磁阻模式下。電源提供的一部分能量轉化為機械能，另一部分則存儲在徑向勵磁繞組中。隨著電機的轉動，當徑向勵磁繞組電感進入電感下降區，向繞組注入電流將產生反向制動轉矩，不利于電機的工作。因此，在電感下降區內關閉控制徑向勵磁繞組電流的主開關管S1、S2。繞組內的電流通過快恢復二極管D1、D2續流，迅速衰減到0。與此同時，開通控制輻條繞組的主開關管S3、S6或S4、S5，向輻條直流電樞中注入電流。輻條上的電流在軸向勵磁線圈產生的恒定軸向磁場中受安培力作用產生驅動轉矩。此時電機工作在直流模式下。

為減小轉矩脈動，開關磁阻電機的極數應選得較多，如此也將同步減小βr和與其相關參數。以此即可增大電樞直徑，和縮小外轉子疊厚，進而減小電機質量和外轉子轉動慣量。因此，設直流-磁阻單相復合電機定轉子極數Ns、Nr均為18，即定、轉子的極距角τs、τr均為20°，因此在空間中每旋轉20°為一個完整的周期。如前文所述，設置βs=14°、βr=11°，則最小電感區αr-βs為0，最大電感重疊角的θ2～θ3區域為βs-βr=14-11=3°。

轉子轉于相對定子任意(也為該圖起始)位置處，定、轉子凸極的重疊角度最小也有5°。如此即可在任意位置處利用整個定子與轉子的凸極重疊度90°，給轉子電樞繞組通入相應方向電流，使轉子按直流電機原理向所需方向旋轉。若假定按逆時針方向旋轉為正轉，當轉過1°后每個定子凸極與轉子凸極在逆時針方向重疊3.5°，而順時針方向重疊1.5°，此時切斷轉子電樞繞組電流，即可利用徑向勵磁繞組電流產生的磁阻轉矩，繼續向逆時針方向旋轉。如此按磁阻電機原理旋轉約7°后，再通入輻條直流電樞繞組電流即可按直流電機原理繼續向逆時針旋轉，轉過13°后再切斷輻條直流電樞繞組電流，實施按磁阻電機原理旋轉，如此也就進入了下一個周而復始的循環。

3 電機的有限元建模

利用有限元電磁分析軟件對電機進行建模。按照電機的實際尺寸，繪制其3D模型，其網格剖分如圖4所示。電機轉速設置為166.7r/min。按照前述原理對電機進行3D仿真。仿真步長為1ms，每步電機旋轉角度為1°。考慮到電機旋轉以20°為一個完整周期，因此每周期內取20個相隔1°的位置進行仿真，獲取每周期內電機的轉矩變化曲線。

圖4 直流-磁阻單相復合電機的3D網格剖分

與此同時，針對磁阻電機運行原理單獨進行2D動態仿真。設置仿真時間為20ms，仿真步長為1ms。分別仿真徑向勵磁繞組電流在1～50A范圍內變化時，徑向勵磁繞組的磁鏈隨旋轉位置的變化情況（如圖5）。

圖5 SR運行時電機的短磁路

按照前述原理對電機進行3D仿真，仿真步長為1ms，可得圖6所示轉矩輸出。計算結果顯示，平均轉矩6.97N·m，最大轉矩為8.49N·m，轉矩脈動系數為0.21。

圖6 直流-磁阻單相復合電機運行轉矩圖

4 結語

電機按直流電機原理和變磁阻原理兩種方式交替運行，既使得轉矩輸出周期成倍增加，也使各運行期的轉矩完全重疊，以此減小轉矩脈動。由于在同一方向的旋轉過程中，轉子電樞繞組通電運行期間的電流總為單向，其電刷不會存在如同直流電動機的換相火花等弊端，所以電刷壽命可相當長。該電機結構將極大提高電機的功率密度和電動自行車動力驅動系統的性價比。