影響橫向磁場(chǎng)開關(guān)磁阻電機(jī)性能的主要因素研究

張學(xué)毅，馬曉光，朱永祥

(湖南工業(yè)大學(xué)，湖南株洲412000)

0 引 言

橫向磁場(chǎng)開關(guān)磁阻電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱TFSRM)是根據(jù)“磁阻最小”原理設(shè)計(jì)的雙凸極磁阻電動(dòng)機(jī)，其運(yùn)動(dòng)方向與主磁路垂直，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;由它所構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)可控參數(shù)多，可靠性高，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，在寬廣的轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)效率高，易于實(shí)現(xiàn)正向起動(dòng)和制動(dòng)、反向起動(dòng)和制動(dòng)。TFSRM的最大缺陷是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，噪聲大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)對(duì)低速車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性產(chǎn)生影響等。為了使TFSRM在應(yīng)用中揚(yáng)長(zhǎng)避短，有必要對(duì)影響TFSRM性能的主要因素進(jìn)行分析，從而優(yōu)化TFSRM的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 影響TFSRM輸出轉(zhuǎn)矩的因素

在普通徑向電機(jī)中，由于齒槽結(jié)構(gòu)的原因，電機(jī)極數(shù)不易過多;而TFSRM一般運(yùn)行在低速大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，可采用增加極數(shù)、減少極距的方法來提高電磁轉(zhuǎn)矩。但是，深入研究表明:TFSRM的輸出轉(zhuǎn)矩并不隨極數(shù)增加而增加，原因是TFSRM極數(shù)增加時(shí)，極距將減小，鐵心磁飽和度和漏磁將增加，輸出轉(zhuǎn)矩降低。因此，欲進(jìn)一步提高TFSRM的輸出轉(zhuǎn)矩，可采用減小漏磁、屏蔽漏磁通的方法來實(shí)現(xiàn)，如:在電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子鐵心靠近氣隙的側(cè)面貼裝永磁體，如圖1所示，利用與漏磁通方向相反的永磁體磁通屏蔽漏磁通，減小漏磁，仿真結(jié)果表明采用永磁屏蔽能增加TFSRM的輸出轉(zhuǎn)矩。

圖1 有永久磁鋼的TFSRM總體結(jié)構(gòu)

1.1 TFSRM氣隙磁場(chǎng)分析

電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)密切相關(guān)，下面應(yīng)用三維等效磁網(wǎng)絡(luò)法對(duì)無永磁屏蔽和有永磁屏蔽的兩臺(tái)TFSRM樣機(jī)進(jìn)行氣隙磁場(chǎng)分析。

1.1.1 無永磁屏蔽的TFSRM氣隙磁場(chǎng)

當(dāng)轉(zhuǎn)子槽中心線與定子齒極中心線重合時(shí)，定義轉(zhuǎn)子位置角為0°電角度。圖2給出了當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角為60°電角度，無屏蔽樣機(jī)在電樞繞組電流為10 A時(shí)TFSRM樣機(jī)的氣隙磁場(chǎng)分布情況。

圖2 無永磁屏蔽TFSRM電角度的氣隙磁密分布

1.1.2有永磁屏蔽的TFSRM氣隙磁場(chǎng)

TFSRM的磁路高度飽和，磁路越飽和，漏磁就越多。如果能降低TFSRM的漏磁，就可以降低其損耗，優(yōu)化其性能?；谏鲜龇椒ǎ陔姍C(jī)的定子、轉(zhuǎn)子鐵心靠近氣隙的側(cè)面貼裝永磁體磁鋼，使永磁體的極性與轉(zhuǎn)子、定子鐵心的漏磁通方向相反，就能屏蔽漏磁，增加氣隙磁密，從而增大TFSRM的輸出轉(zhuǎn)矩。圖3給出了有屏蔽TFSRM、轉(zhuǎn)子位置角為60°電角度、電樞繞組電流為10 A時(shí)氣隙磁場(chǎng)分布情況。

圖3 有永磁屏蔽TFSRM 60°電角度的氣隙磁密分布

由圖2和圖3可以看到，有永磁屏蔽的樣機(jī)氣隙磁場(chǎng)變化率大。為方便比較TFSRM有屏蔽樣機(jī)與無屏蔽樣機(jī)氣隙磁密的變化情況，圖4給出了無屏蔽和有屏蔽兩臺(tái)樣機(jī)在60°電角度時(shí)徑向曲線分布。

圖4 TFSRM樣機(jī)氣隙磁密徑向曲線

由圖2～圖4得到結(jié)論:有永磁屏蔽的TFSRM的漏磁比無永磁屏蔽的TFSRM的漏磁小，前者磁通的最小值小于后者磁通的最小值，前者磁通的最大值大于后者磁通的最大值，說明當(dāng)繞組電流相同時(shí)，有永磁屏蔽的TFSRM的磁通變化率比無永磁屏蔽的TFSRM磁通變化率大，其輸出轉(zhuǎn)矩也更大。

1.2 TFSRM系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)在MATLAB/Simulink中建立的TFSRM模型，電樞繞組電流設(shè)為10 A，分別對(duì)無永磁屏蔽的TFSRM與有永磁屏蔽的TFSRM進(jìn)行轉(zhuǎn)矩仿真，如圖5和圖6所示。

圖5 無永磁屏蔽的TFSRM樣機(jī)轉(zhuǎn)矩波形

圖6 有永磁屏蔽的TFSRM樣機(jī)轉(zhuǎn)矩波形

由圖5和圖6可以看出:無永磁屏蔽的TFSRM平均輸出轉(zhuǎn)矩約為7 N·m，有永磁屏蔽的TFSRM平均輸出轉(zhuǎn)矩約為12 N·m，提高近42%，驗(yàn)證了前面對(duì)TFSRM分析是正確的。

2 TFSRM主要參數(shù)對(duì)其性能的影響

電機(jī)性能主要指電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，在理想條件下，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示:

式中:Tem為一相電磁轉(zhuǎn)矩;Pem為一相電磁功率;ω為角速度;e為反電勢(shì);ψ為磁鏈;i為電樞電流;N為繞組線圈圈數(shù);Φ為磁通。

TFSRM是依靠改變其磁阻來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的，其總輸出轉(zhuǎn)矩是各相繞組產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩之和。研究樣機(jī)主要尺寸對(duì)TFSRM電磁轉(zhuǎn)矩的影響，能優(yōu)化TFSRM的主要參數(shù)，提高TFSRM的性能。如:通過增加定子凸極寬度以及增加每相對(duì)應(yīng)的定子凸極數(shù)目，合理有效地控制各繞組轉(zhuǎn)矩的波形分配，則可降低TFSRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使總輸出轉(zhuǎn)矩保持平穩(wěn)，減小電機(jī)運(yùn)行噪聲。下面分析主要參數(shù)對(duì)TFSRM性能的影響。

2.1 定子鐵心厚度Ws對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響

實(shí)驗(yàn)分析表明:TFSRM其它參數(shù)不變，只改變其定子鐵心厚度，將引起TFSRM輸出轉(zhuǎn)矩的變化。當(dāng)定子、轉(zhuǎn)子鐵心中心對(duì)齊時(shí)，定子鐵心厚度與漏磁系數(shù)的關(guān)系如圖7所示。由該圖可以看出，當(dāng)Ws與極距τp的比值在0.65左右時(shí)，可得到最小的漏磁系數(shù)，TFSRM輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值。定子鐵心太薄或太厚都會(huì)導(dǎo)致漏磁增加，圖8為實(shí)驗(yàn)得出的在一對(duì)磁極下，不同Ws/τp與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線，當(dāng)極距τp不變，定子鐵心厚度增加，即Ws/τp增加時(shí)，TFSRM輸出轉(zhuǎn)矩將增加;但Ws＞0.86τp時(shí)，TFSRM輸出轉(zhuǎn)矩又逐漸降低，定子鐵心厚度Ws與極距τp的比值在0.8左右時(shí)，TFSRM輸出轉(zhuǎn)矩最大。

2.2 極距τp對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響

圖9為實(shí)驗(yàn)得出的TFSRM極距與電磁力密度之間的關(guān)系曲線。

圖9 極距與電磁力密度的關(guān)系

從圖9可以看出，隨著TFSRM極距τp減小，其電磁力密度按比例提高，但當(dāng)TFSRM極距τp過小時(shí)，其電磁力密度不再增加，反而下降。在TFSRM極距τp=24mm附近，電磁力密度取得最大值，TFSRM電磁轉(zhuǎn)矩最大，當(dāng)τp＜20 mm和τp＞30 mm時(shí)電磁力密度迅速下降，TFSRM電磁轉(zhuǎn)矩變小。

2.3 氣隙長(zhǎng)度δ對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響

氣隙長(zhǎng)度δ是設(shè)計(jì)TFSRM時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)。氣隙δ的數(shù)值決定于定子內(nèi)經(jīng)、軸的直徑和軸承間的轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度，定子內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子外圓的不同心度決定了氣隙的不均勻。氣隙的變化會(huì)影響TFSRM的電磁轉(zhuǎn)矩、加工難度和制造成本。實(shí)驗(yàn)得出了在180°轉(zhuǎn)子位置時(shí)TFSRM漏磁系數(shù)與其氣隙長(zhǎng)度的關(guān)系如圖10所示，TFSRM輸出平均轉(zhuǎn)矩與其氣隙長(zhǎng)度的關(guān)系如圖11所示。

由圖11可知，當(dāng)TFSRM氣隙長(zhǎng)度增加時(shí)，將導(dǎo)致其輸出轉(zhuǎn)矩下降。因此，為優(yōu)化TFSRM性能，應(yīng)通過設(shè)計(jì)磁路，使其氣隙長(zhǎng)度不能過大，但也不宜取得太小。若取得太小，將增加TFSRM的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和它的裝配難度。

2.4 其它參數(shù)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響

利用有限元分析，當(dāng)TFSRM轉(zhuǎn)子、定子外徑比約在0.52時(shí)，TFSRM輸出的轉(zhuǎn)矩最大;另外，定義電機(jī)的等效軸向長(zhǎng)度與極距之比為λ，TFSRM的輸出轉(zhuǎn)矩還受λ的影響，當(dāng)λ合適時(shí)，TFSRM的輸出轉(zhuǎn)矩才大于相同電樞直徑體積的徑向磁場(chǎng)電機(jī)。

由于TFSRM雙凸極結(jié)構(gòu)和其磁路飽和的影響，合成轉(zhuǎn)矩存在諧波分量，導(dǎo)致TFSRM輸出轉(zhuǎn)矩不恒定，使電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)有較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，分析表明:外凸圓弧形定子結(jié)構(gòu)齒極的設(shè)計(jì)能有效降低TFSRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和運(yùn)行噪聲。

TFSRM線圈電感是轉(zhuǎn)子位置角和相電流的函數(shù)，欲通過增大電感對(duì)位置角的變化率來增大TFSRM的輸出轉(zhuǎn)矩，需選擇定子齒極數(shù)多于轉(zhuǎn)子齒極數(shù)來實(shí)現(xiàn)。分析表明:相電感的最大值與相電流的最大值成反比，與相繞組匝數(shù)的平方成正比，因此如果減小相繞組匝數(shù)就會(huì)顯著增加相電流的最大值，從而顯著增加TFSRM的輸出轉(zhuǎn)矩。這樣，可以通過增大電流來增大電磁轉(zhuǎn)矩，還可通過改變繞組的通電時(shí)刻來改變轉(zhuǎn)矩的方向。

3 結(jié) 語

本文對(duì)無永磁屏蔽和有永磁屏蔽的TFSRM進(jìn)行了磁場(chǎng)分析，表明具有永磁屏蔽的TFSRM能提高輸出轉(zhuǎn)矩;分析了定子鐵心厚度、極距、氣隙長(zhǎng)度等因素對(duì)TFSRM性能的影響，這些參數(shù)合適時(shí)TFSRM可以獲得最佳性能。分析TFSRM的性能，對(duì)其應(yīng)用有重要的價(jià)值。開展電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的深層次研究，進(jìn)一步解決TFSRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等主要性能缺陷是當(dāng)前亟待解決的問題。

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