柴新寧， 趙永強， 孫允璞

(陜西理工大學 機械工程學院, 陜西 漢中 723000)

多齒型定子的開關(guān)磁通永磁電機設(shè)計與仿真

柴新寧， 趙永強， 孫允璞

(陜西理工大學 機械工程學院, 陜西 漢中 723000)

提出了一種多齒型定子鐵芯結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁通永磁電機，并建立電機參數(shù)化模型。以電機定/轉(zhuǎn)子之間間隙、永磁體厚度、定子齒寬等參數(shù)作為分析變量，基于有限元分析軟件對多齒型開關(guān)磁通永磁電機的氣隙磁密、齒槽轉(zhuǎn)矩等電磁特性進行分析，為直驅(qū)型純電動汽車所用電機的設(shè)計及優(yōu)化提供參考。

開關(guān)磁通永磁電機； 有限元分析； 電磁特性； 多齒鐵芯

目前在純電動汽車中普遍使用的傳統(tǒng)永磁電動機將永磁體鑲嵌在轉(zhuǎn)子中，傳統(tǒng)電機高速運轉(zhuǎn)時非常容易出現(xiàn)永磁體甩飛落的情況。為解決上述問題，大部分研究者采用不銹鋼或者非金屬材料制造的緊固裝置將永磁體固定于轉(zhuǎn)子上，但采用這種方式又帶來電機散熱效果差、功率密度低，永磁體高溫退磁現(xiàn)象明顯等問題[1-2]，這些問題使傳統(tǒng)永磁電動機在純電動車領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。

針對傳統(tǒng)永磁電機出現(xiàn)的問題，國內(nèi)外諸多學者、高校及組織機構(gòu)對其展開研究，他們發(fā)現(xiàn)一種新型電機-開關(guān)磁通永磁電機。該電機摒棄傳統(tǒng)電機設(shè)計理念,將永磁體置于定子中，這種新型電機不僅克服了傳統(tǒng)永磁電機所出現(xiàn)的問題，而且具有開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、機械強度高、反電勢正弦、功率密度高、抗退磁能力強等優(yōu)點，并且開關(guān)磁通永磁電機定/轉(zhuǎn)子均為雙凸極結(jié)構(gòu)，電樞繞組和永磁體均位于定子，使得轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單非常適用于交流傳動系統(tǒng)。由此開關(guān)磁通永磁電機在純電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用成為一個全新的研究方向。

經(jīng)過長期研究及實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)新型開關(guān)磁通永磁電機性能易受電機定/轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)、永磁體用量等參數(shù)的影響，其中電機轉(zhuǎn)矩波動、聚磁效應(yīng)、齒槽效應(yīng)問題尤為突出。針對上述問題研究人員從不同角度對其展開研究：TANG Y等[3]采用有限元分析法，對開關(guān)磁通永磁電機拓撲結(jié)構(gòu)的電機性能進行分析，電勵磁拓撲結(jié)構(gòu)電機在一定轉(zhuǎn)矩密度下電機的弱磁性能顯著提高，但該結(jié)構(gòu)增加了電機銅耗、繞組間的互感；ZHU Z Q等[4]采用定子磁極“多齒”的拓撲結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)開關(guān)磁通電機的電磁性能相比較，新拓撲結(jié)構(gòu)電機永磁體體積大幅減少，轉(zhuǎn)矩密度明顯提高、轉(zhuǎn)矩波動縮減，但該結(jié)構(gòu)增加加工難度，電機控制系統(tǒng)設(shè)計繁瑣，加大電機加工成本；CHEN J T等[5]提出了E型鐵心開關(guān)磁通電機的拓撲結(jié)構(gòu)，與U型鐵心結(jié)構(gòu)電機相比，永磁體用量大幅度減少，轉(zhuǎn)矩密度卻基本不變，銅耗明顯降低，可轉(zhuǎn)矩波動相對加大。

對多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機轉(zhuǎn)矩波動大的問題，本文提出一種12/22極多齒型定子鐵芯的開關(guān)磁通永磁電機，參考傳統(tǒng)開關(guān)磁通永磁電機的基本尺寸建立新型電機的參數(shù)化模型，從電機的氣隙大小、定子齒寬、永磁體充磁方向厚度、轉(zhuǎn)子極結(jié)構(gòu)等幾個方面對開關(guān)磁通永磁電機轉(zhuǎn)矩波動和轉(zhuǎn)矩密度影響進行分析。

1 多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機設(shè)計

1.1 電機工作原理

開關(guān)磁通永磁電機擁有特殊的定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并且電機永磁體和電樞繞組均布置于定子，因此其工作原理與傳統(tǒng)電機大不相同。電機工作過程中其磁通變換如圖1所示，以電機定子中某一磁極為研究對象，分析其電樞繞組磁鏈流通情況：當電機定子、轉(zhuǎn)子凸極處于圖1所示位置I時，電樞繞組磁鏈由定子齒通過電樞繞組到轉(zhuǎn)子凸齒回到定子形成閉合磁路；當電機定子、轉(zhuǎn)子凸極處于圖1所示位置II時，電樞繞組磁鏈由轉(zhuǎn)子凸齒經(jīng)定子齒通過電樞繞組回到轉(zhuǎn)子形成閉合磁路。開關(guān)磁通永磁電機定、轉(zhuǎn)子之間的關(guān)系由圖1中位置I到位置II過程中，定子磁極電樞繞組磁鏈流通方向相反、大小相等。

(a) 位置I (b) 位置II圖1 開關(guān)磁通永磁電機磁通切換原理圖

多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機定、轉(zhuǎn)子相對位置由位置I到位置II的過程中，電樞繞組磁通方向發(fā)生變化，并顯示雙極性。電機磁通變換過程中電樞繞組感應(yīng)磁場與永磁體磁場處于并聯(lián)關(guān)系、互不干擾，同時電樞磁場對永磁體工作點的影響較小，不會造成永磁體的不可逆退磁。因此，開關(guān)磁通永磁電機適合做交流電機進行弱磁控制，電機的調(diào)速或伺服控制可以通過磁場的定向矢量變換實現(xiàn)[6]。

1.2 電機主要參數(shù)設(shè)計

本文設(shè)計電動車基本性能參數(shù)為額定轉(zhuǎn)速nN=600 r/min，額定轉(zhuǎn)矩TN=80 N·m，額定功率PN=5 kW,根據(jù)以上所述基本性能要求，設(shè)計多齒型開關(guān)磁通永磁電機的主要尺寸[5,7-8]，如表1所示。

表1 電機主要參數(shù)值

參考現(xiàn)有開關(guān)磁通永磁電機的設(shè)計，本文設(shè)計多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機的轉(zhuǎn)子極數(shù)NR、定子極數(shù)Ns、電機相數(shù)m滿足關(guān)系式

(1)

其中K1和K2都是自然數(shù)。本文設(shè)計多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機定、轉(zhuǎn)子極數(shù)之比為12/22，電機定子是由12個周向布置的多齒型定子鐵芯構(gòu)成；永磁體為長方體結(jié)構(gòu)并切向充磁，且鑲嵌于兩個多齒型定子鐵芯之間，相鄰永磁體充磁方向相反；三相電樞繞組采用雙層集中繞組形式布置于定子鐵芯。

設(shè)計多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機主要尺寸：定子外徑Dso及電樞鐵芯長度La等參數(shù)滿足關(guān)系

(2)

(3)

依據(jù)表1相關(guān)數(shù)據(jù)和式(2)確定多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機主要尺寸。由于開關(guān)磁通永磁電機和直流永磁同步電機結(jié)構(gòu)相似，因此參考直流永磁同步電機定、轉(zhuǎn)子尺寸設(shè)計方法，對多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機的定子齒寬度ts、轉(zhuǎn)子齒寬度tr、永磁體磁化方向厚度hpm、定子軛部厚度hps、槽口寬度tslot進行設(shè)計，各參數(shù)之間的關(guān)系滿足式(3)。根據(jù)以上分析得出電機初始尺寸[9]。

2 多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機仿真分析

2.1 永磁體磁化方向的厚度

依據(jù)電機初始尺寸利用有限元分析軟件建立電機參數(shù)化模型。對于開關(guān)磁通永磁電機而言，永磁體用量和結(jié)構(gòu)尺寸對電機成本和性能均有影響，因此永磁體結(jié)構(gòu)尺寸的選擇需兼顧電機性能和經(jīng)濟成本。多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機由于定子的特殊結(jié)構(gòu)使得永磁體用量縮減，電機成本降低。通過有限元分析軟件設(shè)計永磁體結(jié)構(gòu)尺寸，初始設(shè)計時選取永磁體磁化方向厚度hpm等于定子齒寬，但這個比例關(guān)系并不是最佳選擇[10]。圖2為永磁體磁化方向厚度hpm取3.09～3.79 mm，步長為0.1 mm時電動機齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖。

圖2 永磁體磁化厚度-齒槽轉(zhuǎn)矩波形

由圖2分析，對于不同永磁體磁化方向厚度為hpm的電機，其他參數(shù)保持不變的情況下，隨著hpm增大，電機定力矩有所增大，電機齒槽轉(zhuǎn)矩波形接近理想正弦波，但電機齒槽轉(zhuǎn)矩增大使得電機瞬時波動變大，電機平穩(wěn)性變差，而且當hpm增大時，電機永磁磁鏈值增大，電機的弱磁控制難度增加，不利于電機高速運行。所以，永磁體磁化方向厚度的選擇要綜合考慮電機輸出力矩、力矩波動和弱磁控制的影響。

2.2 定子齒寬度

電機定子齒作為電機磁路的主要組成部分，齒寬對電機的轉(zhuǎn)矩性能和經(jīng)濟性能影響巨大。定子齒寬增大將減小定子槽面積，同時增大繞組槽滿率使下線難度增加，電機運行時散熱難度增加，嚴重時會導(dǎo)致電機升溫過高而燒毀；定子齒寬過小，齒部磁密容易出現(xiàn)過度飽和現(xiàn)象，引起電機非線性問題[11]。因此研究定子齒寬對電機轉(zhuǎn)矩性能的影響必不可少，在保證電機結(jié)構(gòu)的對稱性以及其他參數(shù)不變的前提下，通過設(shè)置定子齒寬ts取3.69～4.19 mm，步長為0.1 mm，分析不同定子齒寬對電機齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，如圖3所示。

由圖3分析得到，多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩波形隨定子齒寬的增加都按照正弦變化，并且隨定子齒寬變化電機齒槽轉(zhuǎn)矩峰值波動不是很大，而隨定子齒寬增大齒槽轉(zhuǎn)矩整體呈增長趨勢，但齒槽轉(zhuǎn)矩整體增大不明顯。因此，綜合考慮電機繞線槽滿率、轉(zhuǎn)矩特性以及生產(chǎn)成本，最終選擇多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機的定子齒寬ts=3.69 mm。

2.3 氣隙寬度

氣隙磁密幅值的大小對多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機磁場強弱、功率密度以及轉(zhuǎn)矩密度大小都有巨大影響，而且氣隙大小對電機的安裝以及裝配零件精度都有較高的要求，這無異于增加電機的制造成本和電機通用性[12]。因此，在保證其他電機參數(shù)不變的情況下，電機氣隙寬度取0.5～1 mm，步長為0.1 mm時，分析隨氣隙寬度變化電機磁密以及齒槽轉(zhuǎn)矩的變化情況，如圖4所示。

(a) 定子齒寬-齒槽轉(zhuǎn)矩波形 (b) 定子齒寬-齒槽轉(zhuǎn)矩分布圖圖3 定子齒寬-齒槽轉(zhuǎn)矩變化

圖4 氣隙-磁通量波形和齒槽轉(zhuǎn)矩波形分布

由圖4分析，在其他條件不變的前提下，隨氣隙寬度增加電機三相繞組磁通量峰值、齒槽轉(zhuǎn)矩峰值均逐漸減小，然而隨氣隙寬度增大，磁通量波形及齒槽轉(zhuǎn)矩波形均呈現(xiàn)出較好的正弦特性；隨電機氣隙逐漸增大齒槽轉(zhuǎn)矩波動明顯降低，同時電機運動平穩(wěn)性有所提高，氣隙磁阻不均勻程度、氣隙磁場永磁能量、電機噪聲均有所降低，但氣隙過大不利于電機高速弱磁控制，而且電機系統(tǒng)機械特性和輸出轉(zhuǎn)矩都將大幅度降低。電機氣隙減小會帶來電機定子齒局部過飽和以及電機齒槽轉(zhuǎn)矩波動增大等問題，對電機安裝、控制、啟動都有巨大影響。因此，綜合考慮多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機氣隙寬度選取0.5～0.8 mm之間的數(shù)值。

2.4 轉(zhuǎn)子齒輔助槽

永磁開關(guān)磁通電機由于其特殊的雙凸極結(jié)構(gòu)，未經(jīng)優(yōu)化時其所產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩相對其他類型電機較高，較高的齒槽轉(zhuǎn)矩不僅引起轉(zhuǎn)矩波動，而且產(chǎn)生振動和噪聲，導(dǎo)致電機運行惡化，最終會對整個控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響。近年來開關(guān)磁通永磁電機的研究中對齒槽轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化較少提及[2,13]。圖5(a)為在轉(zhuǎn)子齒頂1/2處開有單矩形輔助槽，圖5(b)為在轉(zhuǎn)子齒頂1/3和2/3位置設(shè)計雙輔助槽的原理圖。

(a) 單輔助槽 (b) 雙輔助槽圖5 轉(zhuǎn)子凸極輔助槽原理

圖6所示隨轉(zhuǎn)子凸極矩形輔助槽寬L4和槽長L3增長，電機齒槽轉(zhuǎn)矩波形變化分布圖。由圖6(a)分析，隨輔助槽寬L4取0.9～1.3 mm，步長為0.1 mm時，電機齒槽轉(zhuǎn)矩波形按理想正弦分布，齒槽轉(zhuǎn)矩幅值明顯降低；由圖6(b)得出，隨輔助槽長L3取1.2～1.6 mm，步長為0.1 mm時，電機齒槽轉(zhuǎn)矩波形并非按理想正弦波變化，齒槽轉(zhuǎn)矩峰值超出正常值。

圖7所示隨轉(zhuǎn)子凸極矩形輔助槽寬L2和槽長L1增長，電機齒槽轉(zhuǎn)矩波形變化分布圖。由圖7(a)可知，隨輔助槽寬L2取0.864～1.264 mm，步長為0.1 mm時，電機齒槽轉(zhuǎn)矩波形按理想正弦分布，齒槽轉(zhuǎn)矩波動并無明顯降低；由圖7(b)得出，隨輔助槽長L1取1.2～1.4 mm，步長為0.1 mm時，電機齒槽轉(zhuǎn)矩波形按理想正弦波變化，齒槽轉(zhuǎn)矩峰值明顯增大，電機啟動波動增大。

(a) 槽寬-齒槽轉(zhuǎn)矩波形 (b) 槽長-齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖6 轉(zhuǎn)子凸極單輔助槽波形圖

(a) 槽寬-齒槽轉(zhuǎn)矩波形 (b) 槽長-齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖7 轉(zhuǎn)子凸極雙輔助槽波形圖

由圖6和圖7分析，對于多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機而言，轉(zhuǎn)子凸極設(shè)計單輔助槽比設(shè)計雙輔助槽對降低電機齒槽轉(zhuǎn)矩要明顯。同時，增加輔助槽寬對降低轉(zhuǎn)矩波動和減小啟動波動以及噪聲有明顯效果。因此，多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機轉(zhuǎn)子凸極設(shè)計一個輔助槽為最佳結(jié)構(gòu)，槽寬取L4=1.2 mm,槽長L3=1.6 mm。

3 總 結(jié)

本文針對多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩波動問題進行研究。在保持其他條件不變的情況下，以電機永磁體磁化寬度、定子齒寬度、定/轉(zhuǎn)子之間間隙為變量分析其對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，其中永磁體磁化寬度參量對多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩影響較大，隨永磁體磁化寬度增加齒槽轉(zhuǎn)矩峰值變大；多齒型定子鐵芯中定子齒寬對電機齒槽轉(zhuǎn)矩的影響較小，隨定子齒寬增大電機齒槽轉(zhuǎn)矩在一定范圍內(nèi)保持不變。電機定、轉(zhuǎn)子之間氣隙對電機齒槽轉(zhuǎn)矩影響較大，隨電機氣隙增大電機齒槽轉(zhuǎn)矩明顯降低；定、轉(zhuǎn)子之間氣隙變化不僅對齒槽轉(zhuǎn)矩有影響，同時也影響電機磁通分布，隨電機氣隙增大,電機A、B、C三相電樞繞組磁通峰值之間差值僅為0.04，因此電機氣隙變化對A、B、C三相電樞繞組影響不大。轉(zhuǎn)子凸極開有單輔助槽時，電機轉(zhuǎn)矩波形按正弦分布，電機轉(zhuǎn)矩波動有明顯降低，齒槽轉(zhuǎn)矩波動下降86.62%，而轉(zhuǎn)子凸極開有雙輔助槽時，電機轉(zhuǎn)矩波形仍按正弦分布，但轉(zhuǎn)矩波動并無明顯變化。因此對多齒型定子開關(guān)磁通永磁電機而言，通過合理選擇電機永磁體磁化寬度、電機氣隙寬度以及在轉(zhuǎn)子凸極開有單輔助槽對降低電機齒槽轉(zhuǎn)矩波動效果顯著。

[1] 陳云云,全力,朱孝勇,等.雙凸極永磁雙轉(zhuǎn)子電機優(yōu)化設(shè)計與電磁特性分析[J].中國電機工程學報,2014,34(12):1912-1921.

[2] 趙靜,嚴雅霜,陳浩,等.轉(zhuǎn)子齒形狀對10極12槽開關(guān)磁通電機轉(zhuǎn)矩特性的影響[J].電機與控制學報,2016,20(3):51-56.

[3] TANG Y, PAULIDES J J H, MOTOASCA T E, et al. Flux-Switching Machine With DC Excitation[J]. Magnetics,2012,48(11):3583-3586.

[4] ZHU Z Q, CHEN J T, PANG Y, et al. Analysis of a Novel Multi-Tooth Flux-Switching PM Brushless AC Machine for High Torque Direct-Drive Applications[J]. Magnetics,2008,44(11):4313-4316.

[5] CHEN J T, ZHU Z Q, IWASAKI S,et al. A novel E-core flux-switching PM brushless AC machine[J]. Industry Applications,2011,47(3):1273-1282.

[6] 鄧淵.開關(guān)磁通永磁電機的設(shè)計與制作[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學,2011.

[7] 王秀和.永磁電機[M].2版.北京：中國電力出版社，2011.

[8] 吳建華.開關(guān)磁阻電機設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[9] 孫允璞，趙永強，柴新寧.基于FSPMM的直驅(qū)型純電動汽車驅(qū)動橋設(shè)計[J].陜西理工大學學報(自然科學版)，2017，33(4)：47-53.

[10] 索來春,燕申武,張星,等.開關(guān)磁通永磁同步電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(21):162-164.

[11] 嚴雅霜.電動汽車用開關(guān)磁通永磁電機的分析與優(yōu)化設(shè)計[D].北京：北京理工大學，2015.

[12] 胡志強.開關(guān)磁通永磁同步電機分析與設(shè)計[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學,2010.

[13] 汪昱.永磁開關(guān)磁鏈電機結(jié)構(gòu)與控制的研究[D].杭州：浙江大學,2012.

[責任編輯：李 莉]

Design and simulation of multi-tooth stator flux permanent magnet motor

CHAI Xin-ning， ZHAO Yong-qiang， SUN Yun-pu

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

Switched-flux permanent magnet motor with multi-toothed stator core structure is proposed, and the parametric model of the motor is established. The clearance between the stator and the rotor, the permanent magnet thickness and the stator tooth width are taken as the analysis variables. The analysis software is used to analyze the electromagnetic characteristics such as air gap flux density and positioning torque of the multi-tooth type switched magnetic flux permanent magnet motor, which can provide reference for the design and optimization of the motor used in the direct drive type pure electric vehicle.

switched flux permanent motor; finite element analysis; electromagnetic characteristics; multi-tooth core

TM351

A

2096-3998(2017)05-0025-06

2017-02-27

2017-07-06

陜西省教育廳專項科研計劃項目(16JK1166)

柴新寧(1989—)，男，甘肅省酒泉市人，陜西理工大學碩士研究生，主要研究方向為汽車節(jié)能技術(shù)與電動汽車設(shè)計；[通信作者]趙永強(1976—)，男，陜西省扶風縣人，陜西理工大學副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為先進成形技術(shù)設(shè)備與交流伺服控制。