雙定子盤(pán)式橫向磁通永磁同步電機(jī)的原理分析與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制

徐衍亮,張文晶

(山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院,濟(jì)南 250061)

0 引 言

橫向磁通永磁同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱TFPMSM)是一種主磁通路徑與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軌跡相垂直的新型電機(jī)結(jié)構(gòu)[1]。相比于傳統(tǒng)徑向磁通電機(jī),橫向磁通電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度更高,具有質(zhì)量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)[2]。文獻(xiàn)[3]提出一種高轉(zhuǎn)矩聚磁型TFPMSM,并最終應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,以滿足該領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)小體積和輕質(zhì)量的要求。哈爾濱工業(yè)大學(xué)寇寶泉教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的雙交替極TFPMSM,該結(jié)構(gòu)在定子和轉(zhuǎn)子上都擁有鐵心軛-鐵心齒-永磁體組合的交替極結(jié)構(gòu),通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了新型結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電機(jī)相比,顯著提升了空載繞組磁鏈和轉(zhuǎn)矩密度[4]。此外,TFPMSM的電磁負(fù)荷解耦,空間設(shè)計(jì)更加靈活[5],可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)TFPMSM的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深度定制,有利于實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案的緊湊化、集成化。在文獻(xiàn)[6]中,作者根據(jù)導(dǎo)彈內(nèi)部預(yù)留的錐形結(jié)構(gòu)有限空間提出一種新型聚磁結(jié)構(gòu)TFPMSM,用以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈軌跡姿態(tài)的校正。 Njeh A等人針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機(jī)以及其他需要嚴(yán)格限制軸向長(zhǎng)度的應(yīng)用場(chǎng)合,提出一種新型爪極結(jié)構(gòu)TFPMSM,該結(jié)構(gòu)具有盤(pán)式轉(zhuǎn)子以及由爪極齒和環(huán)形軛組成的電機(jī)定子[7]。因此,研究橫向磁通永磁同步電機(jī)可以推動(dòng)高端工業(yè)裝備的小型化技術(shù)升級(jí)。

TFPMSM作為一種新型結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī),存在齒槽轉(zhuǎn)矩這一永磁同步電機(jī)的共性問(wèn)題。齒槽轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要來(lái)源,對(duì)伺服電機(jī)的控制精度具有直接影響,可以通過(guò)優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)或采用其他輔助手段(例如斜極、斜槽、不等厚度永磁體和不等極弧系數(shù)[8]等)對(duì)其進(jìn)行削弱。然而,TFPMSM存在槽口寬、漏磁大的問(wèn)題,并且具有復(fù)雜三維磁路結(jié)構(gòu),導(dǎo)致電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩相比傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)大,現(xiàn)有的齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化手段在TFPMSM中適用性差。因此,研究TFPMSM的齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法對(duì)抑制電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、提高設(shè)備精度具有重要意義。

本文提出一種雙定子盤(pán)盤(pán)式TFPMSM(以下簡(jiǎn)稱DSDTFPMSM),具有軟磁復(fù)合材料(SMC)-硅鋼組合的定子鐵心、無(wú)軛盤(pán)式轉(zhuǎn)子、對(duì)稱雙定子盤(pán)等結(jié)構(gòu)特征。下面結(jié)合DSDTFPMSM的主磁通路徑,分析電機(jī)工作原理。運(yùn)用有限元計(jì)算工具,分析電機(jī)的主要電磁性能。為了減小DSDTFPMSM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),分別采用齒極參數(shù)優(yōu)化以及不對(duì)稱定子盤(pán)結(jié)構(gòu)兩種手段,并進(jìn)一步研究不對(duì)稱定子盤(pán)結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。設(shè)計(jì)制作一臺(tái)5.4 kW樣機(jī),通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電機(jī)可行性以及主要性能參數(shù)。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)演變過(guò)程

DSDTFPMSM是由文獻(xiàn)[9]提出的盤(pán)式TFPMSM逐漸演化而來(lái),圖1給出了演化過(guò)程。圖1(a)表示了盤(pán)式TFPMSM主磁路的演變過(guò)程。首先,結(jié)構(gòu)1的主磁路由永磁體和一塊用以形成閉合磁路的C形定子鐵心組成;然后,在結(jié)構(gòu)1的C形定子鐵心基礎(chǔ)上增加扇形定子極靴(由SMC鐵心構(gòu)成),便可得到一種組合定子鐵心結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)2),該結(jié)構(gòu)的主磁路從永磁體出發(fā)依次進(jìn)入定子極靴和C形定子鐵心形成閉合回路;將結(jié)構(gòu)2的C形定子鐵心沿軸對(duì)稱平面均分成兩塊U形定子鐵心,此時(shí)在主磁路中產(chǎn)生一個(gè)新氣隙,在新氣隙位置添加一塊永磁體并將定子極靴轉(zhuǎn)移到鐵心分裂的位置,最終得到了DSDTFPMSM(結(jié)構(gòu)3)的主磁路。將三種結(jié)構(gòu)的主磁路沿圓周方向擴(kuò)展,進(jìn)而得到了圖1(b)所示的電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的演變過(guò)程。從圖1(b)中可以看出,從結(jié)構(gòu)1演變到結(jié)構(gòu)2,相鄰兩個(gè)定子鐵心間的槽間距縮小,有利于減小電機(jī)漏磁;從結(jié)構(gòu)2演變到結(jié)構(gòu)3,電機(jī)具有了雙定子單轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),DSDTFPMSM的兩個(gè)定子盤(pán)在轉(zhuǎn)子盤(pán)兩側(cè)對(duì)稱放置,其制作和裝配工藝難度降低。

1.2 工作原理

圖2 主磁路磁通路徑

DSDTFPMSM具有分塊定子電樞和無(wú)軛轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),其主磁路之間相互解耦,因此可以只通過(guò)分析圖1(a)中結(jié)構(gòu)3的單個(gè)主磁路來(lái)確定繞組中的交變磁鏈。圖2給出了DSDTFPMSM單個(gè)主磁路的磁通路徑,主磁通穿過(guò)內(nèi)外兩個(gè)氣隙,并通過(guò)對(duì)稱的兩塊U形鐵心形成閉合回路。圖2的兩個(gè)電樞線圈沿軸向具有相同的極性,即通入相同電流后,兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相同。主磁路包含內(nèi)外兩塊極性相反的永磁體,沿兩塊永磁體將主磁路分成上下兩個(gè)截面進(jìn)行分析,如圖3(a)所示,從不同永磁體的角度看,電樞線圈極性相反。通過(guò)定子電樞鐵心的磁通隨著轉(zhuǎn)子永磁體的移動(dòng)而不斷變化,當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁體移動(dòng)到位置A和位置C時(shí),通過(guò)定子線圈的磁通相互抵消。當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁體移動(dòng)到位置B和位置D時(shí),通過(guò)定子線圈的磁通分別達(dá)到正極值和負(fù)極值。圖3(b)給出了單個(gè)線圈內(nèi)交變的永磁磁鏈和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形。可以看出,轉(zhuǎn)子移動(dòng)使線圈內(nèi)產(chǎn)生了交變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),通入交變電流后,則可以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。DSDTFPMSM采用三相對(duì)稱繞組結(jié)構(gòu),三相繞組最終可以合成穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 電機(jī)工作原理

1.3 優(yōu)越性分析

DSDTFPMSM綜合了盤(pán)式軸向磁通電機(jī)以及TFPMSM的特征,具有轉(zhuǎn)矩密度高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢(shì)。

圖4 DSDTFPMSM機(jī)械結(jié)構(gòu)剖視圖

圖4為DSDTFPMSM的機(jī)械結(jié)構(gòu)剖視圖。轉(zhuǎn)軸、軸承以及伺服電機(jī)所必須的編碼器已經(jīng)預(yù)先安裝。可以看到,在兩個(gè)定子盤(pán)內(nèi)側(cè)分別預(yù)留了腔室①和②,可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)和分配各腔室的用途。在工業(yè)機(jī)器人伺服電機(jī)應(yīng)用背景中,用以實(shí)現(xiàn)“抱閘”功能的電磁制動(dòng)器可以放置在腔室①中。由于電樞線圈放置在定子電樞外側(cè)鐵心臂上,有效減弱了對(duì)定子盤(pán)內(nèi)側(cè)腔室的電磁干擾,因此在電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)用背景中,可以將逆變器單元融合在腔室①和②中。綜上所述,DSDTFPMSM可以幫助實(shí)現(xiàn)電機(jī)整體設(shè)計(jì)的高度集成化,進(jìn)而促進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小型化。

2 電機(jī)性能分析

2.1 電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)額定功率5.4 kW,額定轉(zhuǎn)矩17.2 N·m的DSDTFPMSM。電機(jī)的主要性能指標(biāo)以及主要尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 DSDTFPMSM主要性能指標(biāo)

表2 DSDTFPMSM主要尺寸參數(shù)

2.2 空載反電動(dòng)勢(shì)

建立DSDTFPMSM的電磁仿真計(jì)算模型,對(duì)空載狀態(tài)下的電機(jī)性能進(jìn)行仿真計(jì)算,得到如圖5所示的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速條件下空載反電動(dòng)勢(shì)波形。電機(jī)三相繞組反電動(dòng)勢(shì)對(duì)稱,每相繞組反電動(dòng)勢(shì)有效值為159 V。

圖5 空載反電動(dòng)勢(shì)波形(有限元仿真)

2.3 負(fù)載轉(zhuǎn)矩

在輸入12.5 A額定電流的條件下,通過(guò)有限元仿真計(jì)算DSDTFPMSM的額定輸出轉(zhuǎn)矩,得到如圖6所示的額定轉(zhuǎn)矩波形。電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩平均值為17.26 N·m,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為9.05%。

圖6 負(fù)載轉(zhuǎn)矩波形(有限元仿真)

3 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制研究

如圖6所示,DSDTFPMSM存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題,削弱了伺服電機(jī)的控制精度,因此需要研究電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制方法。

3.1 齒極參數(shù)優(yōu)化

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要來(lái)源。通過(guò)調(diào)整電機(jī)定子齒和轉(zhuǎn)子磁極的設(shè)計(jì)參數(shù)可以直接影響齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值,進(jìn)而改善永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。DSDTFPMSM的齒極與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)有較大區(qū)別,主要表現(xiàn)在:定子鐵心與氣隙的交界面為扇形與矩形的組合,如圖7(a)所示;轉(zhuǎn)子上有內(nèi)外兩組永磁體,如圖7(b)所示。

圖7 DSDTFPMSM齒極參數(shù)示意圖

圖7給出了與DSDTFPMSM齒極相關(guān)的全部參數(shù)。本文主要研究外永磁體極弧系數(shù)aout、內(nèi)永磁體極弧系數(shù)ain以及定子極靴齒弧系數(shù)bs對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的削弱效果。上述參數(shù)可以分別對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)的永磁體極弧系數(shù)和定子齒弧系數(shù),同時(shí)上述參數(shù)的變化不會(huì)對(duì)電機(jī)的內(nèi)外徑、軸向長(zhǎng)度、線圈繞線空間產(chǎn)生影響,因此最適合作為齒極設(shè)計(jì)的優(yōu)化參數(shù)。aout,ain,bs表達(dá)式如下:

(1)

電機(jī)在額定電流條件下輸出轉(zhuǎn)矩隨外永磁體極弧系數(shù)aout變化的趨勢(shì)如圖8所示。從圖8(a)中可以發(fā)現(xiàn),aout從0.6變化到0.95這一過(guò)程中,轉(zhuǎn)矩逐漸增大,當(dāng)aout達(dá)到0.9時(shí)轉(zhuǎn)矩平均值變化開(kāi)始趨于平穩(wěn)。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)變化如圖8(b)所示。隨著aout增加,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)呈現(xiàn)出W形的變化規(guī)律,并在aout達(dá)到0.9時(shí)取得最小值4.1%。綜上所述,aout適合在0.85到0.9之間取值。

圖8 aout對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響

電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平均值隨ain的變化如圖9(a)所示。可以看出,ain從0.6變化到0.95這一過(guò)程中,轉(zhuǎn)矩平均值從16.9 N·m提高到17.5 N·m。圖9(b)對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的變化進(jìn)行了分析。可以看出,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)隨ain的變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),ain為0.8時(shí),轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)達(dá)到最大值,此時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為9.1%。綜上所述,ain取值應(yīng)大于0.8,以獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩以及較低的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

圖9 ain對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響

通過(guò)分析圖10(a)的輸出轉(zhuǎn)矩平均值隨bs的變化可以發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)矩平均值呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)變化如圖10(b)所示。隨著bs的增加,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)呈現(xiàn)近似M形的變化趨勢(shì),bs為0.7時(shí),轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小,為5.7%;隨后,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)快速增大,并在bs為0.8時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)升高至11%。綜上分析,bs取值應(yīng)在0.7到0.75之間。

圖10 bs對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響

綜上所述,最終確定電機(jī)的齒極參數(shù)值:aout=0.9,ain=0.9,bs=0.75。

經(jīng)過(guò)齒極參數(shù)優(yōu)化后的電機(jī)模型的輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖11所示。可以得出,輸出轉(zhuǎn)矩平均值由初始設(shè)計(jì)方案(表2)的17.26 N·m提高到18.37 N·m,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)由9.05%下降到3.21%,DSDTFPMSM的輸出轉(zhuǎn)矩性能得到較大改善。

圖11 齒極參數(shù)優(yōu)化后電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波形

3.2 不對(duì)稱定子盤(pán)結(jié)構(gòu)

齒槽轉(zhuǎn)矩具有周期性,通常可以表示為如下形式:

(2)

式中:An是第n次諧波幅值;φ表示轉(zhuǎn)子位移機(jī)械角度;τ表示齒槽轉(zhuǎn)矩周期,對(duì)于極槽配合為10極12槽的DSDTFPMSM,τ=6°。

考慮到DSDTFPMSM的雙定子盤(pán)結(jié)構(gòu),齒槽轉(zhuǎn)矩可以進(jìn)一步表示成轉(zhuǎn)子盤(pán)兩側(cè)齒槽轉(zhuǎn)矩疊加的形式。如果轉(zhuǎn)子兩側(cè)的定子盤(pán)不再對(duì)稱,而是彼此間錯(cuò)開(kāi)一定的機(jī)械角度γ,如圖12所示,此時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩可以表示:

(3)

式中:A′n是轉(zhuǎn)子一側(cè)與定子盤(pán)相互作用產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩中n次諧波的幅值。

圖12 不對(duì)稱定子盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖

基于式(3)可以得出,消除齒槽轉(zhuǎn)矩中的n次諧波需要滿足如下條件:

(4)

最終,得到定子盤(pán)錯(cuò)開(kāi)角度γ:

(5)

為消除齒槽轉(zhuǎn)矩中的基波分量,同時(shí)減輕不對(duì)稱定子盤(pán)結(jié)構(gòu)對(duì)DSDTFPMSM性能的影響,式(5)中的k和n取值均為1,最終得到定子盤(pán)錯(cuò)開(kāi)角度γ為±3°。

設(shè)定錯(cuò)開(kāi)角度γ為3°,通過(guò)有限元軟件計(jì)算齒槽轉(zhuǎn)矩波形,如圖13所示。齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值為208.4 mN·m。在額定電流條件下計(jì)算不對(duì)稱定子盤(pán)結(jié)構(gòu)DSDTFPMSM的轉(zhuǎn)矩波形,如圖14所示。轉(zhuǎn)矩平均值為17.17 N·m,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為3.49%。對(duì)比初始設(shè)計(jì)方案的17.26 N·m平均轉(zhuǎn)矩和9.05%的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),可以得出,采用不對(duì)稱定子盤(pán)結(jié)構(gòu)可以有效削弱DSDTFPMSM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),同時(shí)維持電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力。

圖13 γ=3°時(shí)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形

圖14 γ=3°時(shí)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩波形

采用不對(duì)稱定子盤(pán)結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致DSDTFPMSM轉(zhuǎn)子盤(pán)兩側(cè)的氣隙磁場(chǎng)分布不同,使轉(zhuǎn)子盤(pán)兩側(cè)應(yīng)力分布不對(duì)稱,進(jìn)而容易導(dǎo)致材料的不可逆形變,因此需要對(duì)轉(zhuǎn)子盤(pán)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。通過(guò)有限元軟件計(jì)算不對(duì)稱定子盤(pán)結(jié)構(gòu)DSDTFPMSM在額定工況下轉(zhuǎn)子盤(pán)應(yīng)力應(yīng)變分布情況,如圖15所示,轉(zhuǎn)子盤(pán)上最大應(yīng)力為1.01 MPa,最大應(yīng)變?yōu)?.33×10-3mm。表3給出了鋁合金材料的力學(xué)特性,可以發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)子盤(pán)最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于鋁合金材料的抗拉、屈服極限強(qiáng)度,因此電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度符合要求。

圖15 轉(zhuǎn)子盤(pán)應(yīng)力應(yīng)變分布

表3 鋁合金材料力學(xué)特性

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證DSDTFPMSM的原理可行性以及性能參數(shù),設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)DSDTFPMSM樣機(jī),采用不對(duì)稱定子盤(pán)結(jié)構(gòu)削弱電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。圖16為樣機(jī)的定轉(zhuǎn)子實(shí)物。

圖16 DSDTFPMSM樣機(jī)實(shí)物圖

通過(guò)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)DSDTFPMSM樣機(jī)至額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行空載發(fā)電實(shí)驗(yàn)。額定轉(zhuǎn)速條件下,空載反電動(dòng)勢(shì)波形如圖17所示。反電動(dòng)勢(shì)有效值為153 V,略低于圖5的仿真計(jì)算值。

搭建如圖18所示的實(shí)驗(yàn)裝置,測(cè)試DSDTFPMSM樣機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。通過(guò)轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)試齒槽轉(zhuǎn)矩波形,如圖19所示。可以看出,齒槽轉(zhuǎn)矩維持在較低水平,在±200 mN·m之間振蕩,驗(yàn)證了不對(duì)稱定子盤(pán)結(jié)構(gòu)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的削弱作用。

圖18 齒槽轉(zhuǎn)矩測(cè)試平臺(tái)

圖19 樣機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形

通過(guò)負(fù)載實(shí)驗(yàn)測(cè)試DSDTFPMSM的額定輸出轉(zhuǎn)矩,樣機(jī)與負(fù)載電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)矩傳感器連接。圖20為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的額定轉(zhuǎn)矩波形。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平均值為16.65 N·m,略低于設(shè)計(jì)時(shí)的17.17 N·m。

圖20 樣機(jī)額定轉(zhuǎn)矩波形

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種DSDTFPMSM,從電機(jī)結(jié)構(gòu)、性能分析、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制角度對(duì)電機(jī)展開(kāi)研究,得出如下結(jié)論:

1)詳細(xì)分析了DSDTFPMSM結(jié)構(gòu)的演變過(guò)程,相比于已有文獻(xiàn)中的盤(pán)式TFPMSM結(jié)構(gòu),本文的DSDTFPMSM具有漏磁少、裝配簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn);

2)通過(guò)分析DSDTFPMSM的結(jié)構(gòu)特征,證明了DSDTFPMSM可以幫助實(shí)現(xiàn)電機(jī)整體設(shè)計(jì)的高度集成化,進(jìn)而促進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小型化;

3)設(shè)計(jì)了一臺(tái)5.4 kW額定功率、3 000 r/min額定轉(zhuǎn)速的DSDTFPMSM樣機(jī),通過(guò)有限元計(jì)算得出,電機(jī)三相繞組空載反電動(dòng)勢(shì)對(duì)稱,額定電流下輸出轉(zhuǎn)矩為17.26 N·m,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為9.05%;

4)通過(guò)優(yōu)化電機(jī)外永磁體極弧系數(shù)、內(nèi)永磁體極弧系數(shù)以及定子極靴齒弧系數(shù),削弱了DSDTFPMSM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),優(yōu)化后電機(jī)轉(zhuǎn)矩平均值提高至18.37 N·m,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)下降到3.21%;

5)通過(guò)對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式的解析研究,得出定子盤(pán)錯(cuò)開(kāi)角度γ為±3°時(shí),齒槽轉(zhuǎn)矩取得最小值,仿真計(jì)算得出γ=3°時(shí),齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值為208.4 mN·m,轉(zhuǎn)矩平均值為17.17 N·m,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)下降到3.49%。

6)通過(guò)研究不對(duì)稱定子盤(pán)結(jié)構(gòu)DSDTFPMSM的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,得出額定工況下轉(zhuǎn)子盤(pán)應(yīng)力在材料的抗拉、屈服極限以內(nèi),證明其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。