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新型永磁游标电机的设计与研究
2020-01-22 00:52:45· 来源：EDC电驱未来
本文提出一种双定子中间转子游标电机，建立了其二维有限元模型，分析其工作原理，研究了结构参数对电机性能的影响并进行了优化设计及电磁分析，验证了该电机的低
本文提出一种双定子中间转子游标电机，建立了其二维有限元模型，分析其工作原理，研究了结构参数对电机性能的影响并进行了优化设计及电磁分析，验证了该电机的低速大转矩特性。
1 电机结构与原理
电机结构
图1为所提出电机的结构示意图，表1为其设计数据。图2为此游标电机的装配示意图。绕有电枢绕组的内定子安置于端盖延伸出的基座上，基座内侧空间放置输出转轴，外定子置于机壳的内侧壁上。转子如图3所示，其为磁钢与笼条的复合结构。其中，笼条使用的是具有一定机械强度的非导磁材料，既承担固定磁钢组成传动构件又起到隔磁的作用。笼条的轴向长度长于磁钢，两端由端环固定，端环上开有螺孔，以便与转轴固定连接。图4为该电机拆分图，为便于清晰的体现电机结构，图中没有给出转轴及端环，笼条轴向尺寸也仅取与磁钢长度相同的部分。
图1 游标电机二维模型
Fig.1 2D model of vernier motor
表1 游标电机参数参数
Table 1 Design parameters of the proposed motor
图2 游标电机剖面示意图
Fig.2 Sectional view of vernier machine
图3 游标电机转子结构示意图
Fig.3 Stucture of vernier motor rotor
图4 游标电机拆分图
Fig.4 Spilt diagram of vernier motor
工作原理
游标电机与永磁齿轮都是基于磁通调制原理而工作的，其设计原则也相似。永磁齿轮由高速内转子、调磁环、低速外转子组成，游标电机用高速旋转的电枢磁场代替高速内转子，经定子齿的磁通调制作用，完成低速大转矩输出。
游标电机中转子磁极对数、定子磁极对数、定子齿数和转速之间的关系为：
(1)
其中：p是内定子电枢绕组产生的磁极对数，ns是游标电机定子齿数。磁密空间谐波的旋转角速度为
(2)
当m=1，k=-1时经由定子齿调制后的气隙谐波磁场最强，电枢磁场与转子磁场具有相同的电角速度，二者转速按照一定的比例运转。因此，可得转速比为
(3)
这里，选择内定子极对数为2对极，定子齿数为24个，转子磁极为22对，调速比为-11/1，负号表示电机转向与定子磁场转向相反。
2 参数影响及优化设计
在电机设计的发展过程中，磁路法一直受到设计者的青睐，但对于游标电机来说，其结构相对复杂，使用传统的磁路分析十分困难，而采用有限元法进行分析与优化设计是解决这一问题很好的途径。由于定子齿是引起定转子不同极的原因，其结构参数对电机性能影响较大，这里对定子齿进行优化。
2.1 定子齿宽优化
游标电机中，具有磁通调制作用的定子齿的周向宽度对电机的转矩等运行性能等有较大的影响。如图5所示，以内定子为例，定义一个齿槽为一个磁通调制单元，其中定子槽周向宽度对应的圆心角为θ1,定子齿对应的圆心角为θ2。因此，定子齿宽度在周向所占比例可由下式计算
(4)
取内外定子齿宽度在周向所占比例为控制变量，维持其余结构参数不变进行优化分析，游标电机的输出转矩随该比例变化关系如图6所示。从图中可以看出，在内定子齿周向所占比例为45%、外定子齿周向所占比例为35%时，得到的稳态输出转矩最大。
2.2 定子齿高的优化
确定定子齿宽度后，以内外定子齿径向高度为变量进行优化，所得输出转矩随该变量变化关系如图7所示。
图5 游标电机调制单元示意图
Fig.5 View of flux modulation unit
图6 输出转矩随定子齿宽度变化曲线
Fig.6 Curve of output torque variety with the width of stator teeth
图7 输出转矩随定子齿高度变化曲线
Fig.7 Curve of output torque variety with the height of stator teeth
由图中可以看出，在内定子齿高为11 mm，外定子齿高为6 mm时，电机转矩输出最大，其值为77 N·m。
3 电磁性能分析
3.1 磁场分析
对优化后的游标电机的空载及负载工况进行了有限元分析，图8为其空载磁力线分布图。空载时，转子磁力线经由内外定子齿分别进入到内外定子轭中。因为转子为22对极且定子齿为24个，根据磁通调制原理，内外定子处将产生4极旋转磁场。
图8 空载磁力线分布
Fig.8 Flux lines distribution of no_load
图9为10 A负载时的磁力线分布图。负载时，电枢及外定子处均为4极磁场，磁通经由内外定子齿的调制作用，在两侧气隙中产生与转子磁极对数相等的同向旋转磁场，拖拽转子磁极。相比只能在一侧与转子磁极相互作用的单气隙电机，提高了磁钢利用率，增强了电机转矩输出能力。
图9 负载磁力线分布
Fig.9 Flux lines distribution of on_load
图10为10 A负载时磁密云图。由图可知，电机饱和程度不高，可以适当的增大电枢电流从而获得更大转矩输出。
图11(a)、图11(b)为空载时电机内侧径向气隙磁密及其谐波分析，图11(c)、图11(d)为电机外侧径向气隙磁密及其谐波分析。从分析的结果可以看出，由于转子磁极为22对，在内外侧气隙中均为22对极磁场最强，其他次磁场相对较弱。
图10 负载磁密云图
Fig.10 Magnetic filed distribution of on_load
3.2 反电势分析
图12为此游标电机的空载反电势波形。
取A相一个周期进行谐波分析，结果如图13所示。其中，游标电机的基波幅值为230 V，3次谐波幅值为7.7 V，其他次谐波基本为0。由谐波畸变率计算公式(5)可得空载反电势谐波畸变率为3.316%，反电势波形正弦度高，有利于电机稳定运行。
THD=(Unrms/U1rms)×100%。
(5)式中：THD为谐波总畸变率；Unrms为谐波含量的方均根值；U1rms为基波的方均根值。
3.3 齿槽转矩分析
齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和铁心之间相互作用产生的转矩，是由永磁体与电枢齿间的相互作用力的切向分量的波动引起[15]。齿槽转矩周期为
(6)
其中：Tcog为齿槽转矩周期，LCM(z,2p)表示永磁电机极数与槽数的最小公倍数，其数值越大，齿槽转矩的周期越小，转矩幅值越小。
图14为电机转子转过12度的齿槽转矩曲线。游标电机由于其特殊的定子齿槽结构，与常规永磁电机相比，定子槽数增加一倍，若选择合适的电机极数，将增大该电机极槽配合的最小公倍数，对齿槽转矩有一定程度的抑制作用。
图11 内外侧气隙磁密及谐波分析
Fig.11 Flux density and harmonic analysis of inner and outer air gap
图12 空载反电势曲线
Fig.12 Curve of no_load electromotive force
图13 A相空载反电势谐波分析
Fig.13 Harmonic analysis of A phase no_load electromotive force
图14 齿槽转矩曲线
Fig.14 Curve of cogging torque
3.4 转矩及功率因数分析
图15为该电机在输入电流为2 A至12 A下所对应的的输出转矩及功率因数曲线。由图中可以看出，转矩随输入电流的增大而增大，功率因数则为下降趋势。
图15 转矩及功率因数与输入电流的关系
Fig.15 Relationship of torque and corresponding power factor with current
图16为电机在输入电流为10 A时所对应的转矩曲线，输出转矩平均值为77 N·m，峰-峰值为1 N·m，转矩波动小，实现了电机低速大转矩输出。
图16 输出转矩曲线
Fig.16 Curve of output torque
4 结 论
本文提出了一台新型永磁游标电机，利用有限元软件建立了该电机二维模型，对影响电机性能较大的结构参数进行了优化设计，并对优化后的电机进行了电磁分析，得到以下结论：
1)本文所提出电机转子为22对极，定子齿为24个，通过磁通调制作用，在内外定子处均产生了4极磁场，证明了理论分析的正确性。
2)对电机定子齿的宽度、高度及其配比进行优化设计，发现在内定子齿宽为45%、齿高为11 mm；外定子齿宽为35%、齿高为6 mm时电机输出转矩最大。
3)对电机A相空载反电势进行谐波分析，结果显示其基波含量大，谐波总畸变率低，反电势正弦度高，有利于降低电机的转矩波动，使其稳定运行。
4)该电机齿槽转矩进行了分析，发现其齿槽转矩较小，周期为同条件下12槽电机的一半，证明由于游标电机特殊定子齿槽结构，减小了转矩周期，对齿槽转矩幅值有所削弱。
5)电机输出端的转速为电枢磁场转速的1/11，不需要额外的减速传动机构，相对于常规直驱电机在同转矩情况下体积大幅减小， 十分适用于电动汽车等直接驱动场合。
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