表贴式永磁游标电机电磁特性和实验验证.pdf

第 卷 年第 期 月.表贴式永磁游标电机电磁特性和实验验证王伟炳 邓孝华(南京工程学院 电力工程学院 南京)摘 要:为验证表贴式永磁游标电机高转矩密度的基本原理 基于表贴式永磁游标电机基本方程的分析 研究了电机关键参数对转矩的影响 设计了电机参数 给出了结构示意图 根据定子槽数和极对数 分析了槽电动势星形图 并给出了绕组连接图 基于二维有限元模型深入分析了电机的电磁特性 包括空载磁链、空载电动势、两种励磁源单独作用时的气隙磁密、齿槽转矩和电磁转矩 制作了永磁游标电机实验样机 对其空载反电势进行了测试仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和二维有限元模型的准确性 为永磁游标电机的精确控制提供了有力支撑关键词:永磁游标电机 磁场调制 气隙磁密 空载特性 转矩特性中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:收稿日期:修回日期:基金项目:中国博士后科学基金()江苏省高等学校自然科学基金()作者简介:王伟炳()男 博士 副教授 研究方向为永磁游标电机分析与控制邓孝华()男 硕士研究生 研究方向为永磁游标电机分析与控制 引 言目前 电动汽车驱动电机的使用趋势是以具有体积小、重量轻及功率密度高的永磁同步电机为主 因此汽车生产厂家为了达到低速大转矩输出大多是通过驱动电机与减速器的配合 使得效率较低且系统维护难度高 而获取大转矩的另一种方法是采用直接驱动式电机 省去了中间环节 减少了机械损耗、提高了能量传递效率 但是其缺点为一般极数较多、体积较大且负载运行电流高 增加了控制器的要求 提高了制造成本本文主要研究的永磁游标电机()属于永磁同步电机范畴 其本身除了具备永磁同步电机的优良特性外还 期王伟炳等:表贴式永磁游标电机电磁特性和实验验证可通过将磁齿轮与常规永磁电机整合 利用磁场调制原理实现低速大转矩输出而且具有较高的功率密度 可以较好地回避上述问题张东博士等提出了一种新型磁通调制电机该电机将磁齿轮与无刷电机在机械层面上进行耦合因此其实际样机具有 层气隙 结构复杂 磁通调制电机制造工艺复杂 机械稳定性差 则解决了此类电机结构上的缺点 由于磁通调制电机一般通过调磁环实现磁通调制作用 但是增加了电机的气隙层数 则是将定子调磁齿结构代替调磁环结构 继承了磁通调制的优点 且减少了气隙降低了电机结构复杂度 曲荣海教授等研究了表贴式 在高速运行状态下的电磁特性 并将其与内埋式永磁同步电机在弱磁、损耗、容错等方面进行了比较 本文为了验证和预测 的电磁性能 采用有限元分析法建立了电机的二维仿真模型 并制作了样机 仿真结果和实验测试验证了理论分析的正确性 电机运行原理表贴式 转子内表面贴有瓦片形永磁体定子齿同时起到电枢齿和调制齿的作用 能够对转子磁场和电枢磁场进行调制 的核心是基于磁场调制原理的“磁齿轮机理”磁齿轮中的调磁块将气隙中的定子高速少极对数磁场调制成与转子极对数相同的低速磁场 从而实现磁场耦合以及机电能量转换 而与典型的磁齿轮电机相比 利用调制齿进行磁场调制 替代了调磁环 实现了磁齿轮工作原理 所以其定子槽开口较大 一般槽开口率为 结构如图 所示 通过调制齿的调制作用 电枢绕组产生的磁场和永磁体励磁产生的磁场相互作用实现能量转换为了使基波磁场和有效谐波磁场产生的电动势最大 的电枢磁场和转子磁场之间极对数的关系应满足下式:()式中、和 分别为电枢绕组极对数、调制齿数和永磁体极对数工作原理不同使得 的气隙磁密分布含有两种主要极对数的谐波分量 文献分析了气隙磁密、电磁转矩和反电势 其中电枢反应气隙磁密如式()所示()()()式中、为气隙磁导常数项 为气隙磁导的基波分量 和 为气隙磁动势不同极对数谐波的绕组系数 为转子角度位置 为每相串联匝数 为相电流有效值 为转子的电角速度图 永磁游标电机结构电磁转矩如式()所示()()式中 为永磁体磁动势幅值 为气隙半径 为叠片厚度根据上式可以得到气隙体积转矩密度公式为()()式中 为线负荷同时 根据上述转矩公式和转矩与功率的关系式可以得到反电势如式()所示()()式中 为电机转速 和 分别为空载时对极(基波)气隙磁密幅值、对极(有效谐波)气隙磁密幅值 因有效谐波磁场的作用 在基波磁场匝链定子绕组产生常规电动势基础上 又增加了附加电动势 使得其感生电动势比同尺寸结构的永磁同步电机大很多 从而提高了转矩输出能力 使其拥有更高的转矩密度分数槽绕组即电机每极每相槽数是分数 分数槽电机较整数槽电机具有更多的选择 且具有低电动势总谐波失真和低转矩脉动的优点 对于槽数为 极对数为 的单元电机 每极每相槽数 为()式中 为相数/和/均为不可约分数原电机由 个单元电机组成 是电机定子槽数 与极对数 的最大公约数 卷本文研究的是 槽 极 槽距角为 ()此 角亦是相邻槽中导体感应电动势相位差可绘制出此电机的槽电动势星形图 一个单元电机的槽电势星形图如图 所示 根据槽电势星形图得出电机绕组连接图 本文电机由 个单元电机组成 如图 所示为电机绕组展开图图 槽电动势星形图图 绕组连接 有限元仿真验证采用 软件对 进行二维有限元仿真研究 主要设计参数如表 所示表 主要参数参数名称参数值参数名称参数值槽内半径/齿宽/槽开口内半径/铁心长度/槽开口外半径/极弧比 永磁体内径/线负荷/转子轭的内半径/额定电流/定子极对数一相匝数槽开口角/永磁体材料 磁场调制对 的空载工况进行有限元分析 如图()、图()所示分别为该电机空载时的磁力线分布图和磁密云图 从图()中可以看出 空载时转子磁力线经由内定子调磁齿进入到内定子轭中 在内定子中产生了 对极磁场 证明了调磁齿的磁通调制作用 图()显示最大磁通密度达 说明永磁体的利用率达到较好的状态图 空载时磁力线及磁通密度云图 气隙磁通密度采用有限元软件 对 的气隙磁场进行分析 如图()、图()所示分别为 在空载情况下的径向气隙磁密分布和对应气隙磁密的谐波频谱 从图()可以看出 在径向气隙磁密中 对极磁场最强 这与转子极对数为 相符图 空载气隙磁密分布及频谱 期王伟炳等:表贴式永磁游标电机电磁特性和实验验证仅有电枢反应的条件下 电枢磁场经调制齿调制后 产生的径向气隙磁密分布和对应气隙磁密的谐波频谱 如图 所示 由图()可知 在电机气隙中 除电枢绕组产生的 对极磁场外 对极谐波幅值最大 证明了调制齿的磁通调制作用图 仅电枢反应气隙磁密分布及频谱 空载反电势由于调制效应 正向旋转转子在三相绕组中产生负序的磁链 如图 所示为空载时的三相绕组磁链波形 可以看出 的 相磁链超前 相磁链 磁链相量的旋转方向与永磁同步电机()不同 中正向旋转的转子在、三相中匝链的空载磁链依次滞后 相位的 轴坐标系与转子呈同速反向旋转 设计 控制系统时需注意定子绕组三相磁链相量与 轴坐标系同步 即与转子反向旋转 如图 所示为 /时空载反电势波形 有效值为 图 空载磁链图 空载反电势波形根据公式()磁通密度最高的 对、对极磁场均能产生有效电动势 因此 可以产生比 更高的电磁转矩和转矩密度 取 相波形的一个周期进行谐波分析 结果如图 所示 图中 基波幅值为 次谐波幅值为 其他次谐波基本为 空载反电势谐波畸变率为 反电势谐波含量少 正弦度较高图 相空载反电势谐波分析 转矩特性文献表明槽口比在 变化 的电磁转矩先增加后减小 齿槽转矩会呈现周期性变化 因此当齿槽转矩最小时 输出电磁转矩并非为最大值 由于齿槽转矩是高质量牵引应用的主要考虑因素 本文的电机的槽口比为 综合考虑了齿槽转矩与输出转矩能力 在 控制时的稳态输出转矩如图 所示图 输出转矩波形由图可以看出 在磁场调制作用下 其额定均值达到了 采用电机总体积计算时的转矩密度为 /远高于文献 中的 超出 由于公式()括号中第二项的极槽配合以及线负荷对气隙体积转矩密度影响较大 根据 卷公式()计算时 本文中的()转矩密度值较文献提出的()高 具体数值如表 所示表 两种 的转矩密度相关计算参数对比电机拓扑线负荷/(/)/()据公式()计算气隙体积转矩密度/(/)气隙体积转矩密度有限元值/(/)求解定位力矩有多种方法 本文采用瞬态场求解空载低速旋转转矩的方法 电机转速设置为“”以“”为仿真步长如图 所示 由图可知其呈周期性变化规律 峰峰值为 仅占额定输出转矩的 定位力矩非常小图 齿槽转矩波形 实验测试为了进一步验证本文分析的 设计并制作一台 槽 极样机 在与上文保持相同转速的情况下对电机进行空载测试 如图()、图()和图()所示分别为样机转子、定子部分和实验测试平台图 样机及实验测试平台如图 所示为实验测得的相空载反电动势波形 其谐波含量为 正弦度较高 有效值为 比仿真反电动势有效值相比降低了一些 这是由于仿真计算时忽略端部漏磁以及叠片系数等因素图 相空载反电势波形 结 论本文分析了 工作原理 深入研究了影响转矩密度的参数 根据电机槽电动势星形图设计了电枢绕组 基于 建立了 的磁场仿真模型并且分析了电机各项电磁特性 仿真和实验结果表明:()所分析电机能够达到磁场调制目的 磁场调制增大了自身转矩密度()在多种谐波磁场存在的情况下电机仍具有较高正弦度的反电势波形和脉动较小的电磁转矩及峰峰值非常小的齿槽转矩()电机中定子绕组匝链的转子永磁体磁场磁链相量与转子转向相反 其为该电机控制设计提供了有力支撑参考文献 涂志文 蒋成明 涂群章 等.电动车用永磁同步电机无传感器控制技术综述.微电机 ():.倪涛 张兆宇 于思洋 等.极数对双定子混合转子同步电机转矩密度的影响研究.微电机 ():.吴文文 黄允凯 彭飞.电驱足式机器人关节作动器研究综述.微电机 ():.张东 邹国棠 江建中 等.新型外转子磁齿轮复合电机的设计与研究.中国电机工程学报 ():.林鹤云 张洋 阳辉 等.永磁游标电机的研究现状与最新进展.中国电机工程学报 ():.王虎生 侯云鹏 程树康.无接触永磁齿轮传动机构发展综述.微电机():.:.李浩 井立兵 杨岸涛.基于磁齿轮调制的复合电机有限元分析.磁性材料及器件 ():.期王伟炳等:表贴式永磁游标电机电磁特性和实验验证梅叶依.轮毂驱动用永磁游标电机设计及优化.南京:东南大学.:.():.:.冯 欣 南.电 机 学 .北 京:机 械 工 业 出 版 社:.:.:.:.:.:.徐艺明.永磁游标电机转矩谐波分析与优化设计.天津:天津大学.():.(上接第 页)以上几组数据的监测和波形的观察可以看出蓄电池充电控制电路工作稳定可靠 控制电路在蓄电池的充电过程起到了有效的充电保护作用 改善蓄电池的使用寿命 结 语经过上述实验电路设计(包含蓄电池充放电状态监控、显示以及各种保护电路)结合影响蓄电池使用寿命主要因素和各种蓄电池充电方式及其优缺点 本文所确定的“容量跟踪脉冲电流 浮充充电法”能够在兼顾快速充电的同时 改善优化蓄电池的使用寿命 具有一定的先进性参考文献 新型.福建物构所钙钛矿太阳能电池研究获进展.化工新型材料():.于全虎.太阳能电池及其船舶应用研究进展.船电技术():.():.陈体衔 甄春华.蓄电池变电流间歇快速充电方法.实验研究():.马以春 王坚.慢脉冲快速充电方法吸气性能的研究.电源技术 ():.王坚 秦大为 季宝华.慢脉冲快速充电方法的研究.电池工业 ():.辛禾.考虑多能互补的清洁能源协同优化调度及效益均衡研究.北京:华北电力大学大学博士学位论文:.王坚.慢脉冲快速充电对蓄电池不同 循环寿命影响的研究.蓄电池():.():.曹帅 王云冲 沈建新.宽速度范围永磁同步发电机用于蓄电池负载的 整流控制策略的仿真研究.微电机():.郑伟 智勇 陈仕彬 等.基于 的光伏控制器充电能量智能控制方法.微电机 ():.顾鸿赟 刘陵顺 李岩 等.一种集成车载充电器的优化直接功率控制.微电机 ():.