混合勵(lì)磁超環(huán)面電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

周守勇，劉 欣，隋修武，聶 嶺

(天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387)

0 引 言

永磁電機(jī)因其良好的性能成為高功率密度和高效率電機(jī)的代表，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、軍事工業(yè)和航空航天等各個(gè)方面得到了廣泛應(yīng)用［1－4］。隨著電機(jī)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，為減少結(jié)構(gòu)復(fù)雜和體積笨重的變速箱系統(tǒng)，以簡(jiǎn)化生產(chǎn)機(jī)械的結(jié)構(gòu)，在要求輸出低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)矩的領(lǐng)域，對(duì)于新型電機(jī)的設(shè)計(jì)提出了新的要求。

混合勵(lì)磁電機(jī)在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)與控制氣隙磁場(chǎng)的性能，與傳統(tǒng)永磁電機(jī)通過(guò)電樞電流矢量控制實(shí)現(xiàn)弱磁或增磁有所區(qū)別，其結(jié)構(gòu)可有多種實(shí)現(xiàn)方式?；旌蟿?lì)磁電機(jī)不僅具有永磁電機(jī)的很多特點(diǎn)，而且具有氣隙磁場(chǎng)平滑可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)［5－6］?；旌蟿?lì)磁超環(huán)面電動(dòng)機(jī)是一種新型空間電機(jī)，其勵(lì)磁方式是通過(guò)內(nèi)定子電勵(lì)磁和環(huán)面外定子永磁勵(lì)磁相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的，它在結(jié)構(gòu)上將行星傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)引入電機(jī)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力裝置與減速機(jī)構(gòu)的結(jié)合，這不僅能獲得較大的減速比，而且簡(jiǎn)化了電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，使系統(tǒng)更加緊湊。在航空、航天、軍事和車輛等結(jié)構(gòu)要求較為緊湊的領(lǐng)域，有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

混合勵(lì)磁超環(huán)面電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，其定子包括蝸桿內(nèi)定子和環(huán)面外定子，其中蝸桿內(nèi)定子鐵心是由硅鋼片疊壓制成，鐵心表面均勻分布有螺旋型電樞槽，槽內(nèi)安放電樞線圈以形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。環(huán)面外定子是由若干個(gè)永磁體制成的空間螺旋梁組成。該電機(jī)的轉(zhuǎn)子是與行星輪固連的行星架轉(zhuǎn)子，其中行星輪位于內(nèi)外兩個(gè)定子的中間，且每個(gè)行星輪上均布N、S極相間的永磁齒，磁齒是由高磁性稀土材料制成。

圖1 超環(huán)面電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

當(dāng)蝸桿內(nèi)定子繞組通入三相交流電后，蝸桿內(nèi)定子產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)和環(huán)面外定子永磁場(chǎng)的磁場(chǎng)力共同作用使得行星輪在自轉(zhuǎn)的同時(shí)發(fā)生公轉(zhuǎn)，由于每個(gè)行星輪的中心軸固聯(lián)在行星架轉(zhuǎn)子上，行星輪的公轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)行星架轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸出。混合勵(lì)磁超環(huán)面電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，會(huì)在三個(gè)平面內(nèi)發(fā)生三個(gè)方向的圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，它兼?zhèn)淞诵行莻鲃?dòng)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)比范圍廣的優(yōu)點(diǎn)和環(huán)面電磁嚙合點(diǎn)多的優(yōu)點(diǎn)［7］，能夠?qū)崿F(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2.1 減速原理

實(shí)際工作時(shí)環(huán)面外定子固定不動(dòng)，即外定子旋轉(zhuǎn)角速度ω3=0;蝸桿內(nèi)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角速度為ω1;行星輪旋轉(zhuǎn)角速度為ω2;行星架轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度為ωH。采用輪系分析中常用的方法——轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)法，給整個(gè)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)加上虛擬公轉(zhuǎn)角速度－ωH，則電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為定軸輪系。

把式(1)和式(2)聯(lián)立，可得該超環(huán)面電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的減速比:

式中:a和b為方向參數(shù)，絕對(duì)值均為1。a，b取值與蝸桿內(nèi)定子電樞槽和環(huán)面外定子螺旋磁齒的旋向有關(guān)，旋向相同取“－1”，相反取“+1”。當(dāng)極對(duì)數(shù)p取定值時(shí)，系統(tǒng)傳動(dòng)比的大小由環(huán)面外定子的齒數(shù)z3決定，由于z3變化范圍較大，所以該超環(huán)面電動(dòng)機(jī)可獲得的減速比范圍較大。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系

考慮該超環(huán)面電動(dòng)機(jī)的輸出性能，行星輪磁齒數(shù)z2的選取要使行星輪在蝸桿內(nèi)定子環(huán)面包角范圍內(nèi)參與磁嚙合的磁齒數(shù)盡可能多。為了保證行星輪與內(nèi)外定子的磁嚙合關(guān)系，行星輪個(gè)數(shù)的確定需滿足一定的裝配要求。

由于行星輪同時(shí)與蝸桿內(nèi)定子磁場(chǎng)和環(huán)面外定子磁齒嚙合，可將環(huán)面外定子齒數(shù)分為2p部分，由于環(huán)面外定子齒是由N、S極相間的永磁體構(gòu)成，若在每一部分當(dāng)中增加磁齒數(shù)，則必須以成對(duì)的N、S極加入，故環(huán)面外定子齒數(shù)需滿足:

由式(5)可知，環(huán)面外定子齒數(shù)是由蝸桿內(nèi)定子的極對(duì)數(shù)來(lái)決定，隨著蝸桿內(nèi)定子極對(duì)數(shù)的增加，環(huán)面外定子齒數(shù)成倍地增加。結(jié)合式(3)知，環(huán)面外定子齒數(shù)和蝸桿內(nèi)定子極對(duì)數(shù)與超環(huán)面電動(dòng)機(jī)減速比之間的關(guān)系如圖2所示。由圖2可以看出，當(dāng)蝸桿內(nèi)定子極對(duì)數(shù)一定時(shí)，超環(huán)面電動(dòng)機(jī)的減速比隨著環(huán)面外定子磁齒數(shù)的增加而增加;要得到某一減速比時(shí)，蝸桿內(nèi)定子極對(duì)數(shù)越少，環(huán)面外定子的磁齒數(shù)就越小;當(dāng)采用改變蝸桿電樞繞組極對(duì)數(shù)的方法進(jìn)行調(diào)速時(shí)，環(huán)面外定子的磁齒數(shù)越大，可獲得的調(diào)速范圍就越大。

圖2 定子參數(shù)與減速比之間的關(guān)系

混合勵(lì)磁超環(huán)面電動(dòng)機(jī)內(nèi)外定子與行星輪磁齒間的氣隙十分關(guān)鍵，氣隙的大小直接影響該電機(jī)的磁勢(shì)。氣隙略大，超環(huán)面電動(dòng)機(jī)的輸出力矩會(huì)明顯下降，當(dāng)氣隙增大到一定數(shù)值時(shí)，行星輪磁齒會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象。若氣隙過(guò)小，由于加工精度使得該電機(jī)的裝配困難，以致發(fā)生內(nèi)外定子與行星輪磁齒之間發(fā)生相擦的現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)使氣隙磁導(dǎo)諧波分量增加，引起該電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的振動(dòng)和噪聲，所以該超環(huán)面電動(dòng)機(jī)的氣隙大小選擇0.5～1 mm。

3 定子設(shè)計(jì)

3.1 定子齒槽軌跡線

要實(shí)現(xiàn)行星輪磁齒與蝸桿內(nèi)定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和環(huán)面外定子螺旋磁齒間的完全嚙合，蝸桿內(nèi)定子電樞槽與環(huán)面外定子永磁齒需滿足一定的參數(shù)關(guān)系。現(xiàn)以蝸桿內(nèi)定子的幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，蝸桿內(nèi)定子軸為y軸，建立定子螺旋軌跡坐標(biāo)系，如圖3所示。

由圖3可得，蝸桿內(nèi)定子電樞槽軌跡線上任意點(diǎn) p1(x，y，z)的方程:

圖3 定子螺旋軌跡坐標(biāo)系

式中:R為蝸桿內(nèi)定子環(huán)面半徑;a為蝸桿內(nèi)定子與行星輪的中心距;β1為點(diǎn)p1與其所在截圓中心連線與平面xoy的夾角;α1為p1點(diǎn)所在截圓在蝸桿環(huán)向上的位置角;α=。同理可得，環(huán)面外定子磁齒1軌跡曲線上任意點(diǎn)p2(x，y，z)的方程:

3.2 蝸桿內(nèi)定子集成

蝸桿內(nèi)定子鐵心是超環(huán)面電動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其質(zhì)量的好壞直接影響該電機(jī)的整體性能。由于該鐵心的特殊性，在制造過(guò)程中，若采用先疊裝再整體式機(jī)加工蝸桿內(nèi)定子輪廓及電樞槽時(shí)，硅鋼片在銑削過(guò)程中多發(fā)生較大的形變，同時(shí)切削產(chǎn)生的殘留細(xì)屑會(huì)堵塞硅鋼片之間的縫隙，從而增加了渦流損耗。為了提高加工質(zhì)量，蝸桿內(nèi)定子的制造采用分片式成型制造再疊壓的方法。

以蝸桿內(nèi)定子的軸線作為x軸，建立坐標(biāo)系如圖4(a)所示，φv為蝸桿環(huán)面包角，設(shè)每片硅鋼片厚度為δ，則內(nèi)定子共有2n片硅鋼片組成:

根據(jù)蝸桿內(nèi)定子環(huán)面及螺旋槽的形狀特征，以蝸桿喉部為界，左右對(duì)稱各n片，取最小圓為起始片，由此可得如圖4(b)所示鐵心中第j片硅鋼片的尺寸:

圖4 硅鋼片形狀

式中:hr為每片硅鋼片的電樞槽在包角范圍內(nèi)環(huán)向的徑向深度:hj為第j片硅鋼片電樞槽的實(shí)際加工深度。分片加工后的硅鋼片，以鍵槽為基準(zhǔn)，按順序依次穿入心軸，在壓力機(jī)的作用下加壓成型，得到蝸桿內(nèi)定子鐵心。對(duì)于超環(huán)面電動(dòng)機(jī)繞組的設(shè)計(jì)，除了要求盡可能產(chǎn)生較大的磁勢(shì)，對(duì)每相繞組所產(chǎn)生的磁勢(shì)波形以及三相繞組的對(duì)稱有要求之外，還應(yīng)考慮下線工藝的便利及繞組受力情況。

4 仿真分析

混合勵(lì)磁超環(huán)面電動(dòng)機(jī)各部件設(shè)計(jì)及裝配過(guò)程尺寸要求較為嚴(yán)格，為了保證各部件設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和裝配的合理性，采用三維建模軟件對(duì)超環(huán)面電動(dòng)機(jī)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)體建模。為盡量增多參與磁嚙合的齒對(duì)數(shù)，取行星輪齒數(shù)為8，環(huán)面外定子磁齒數(shù)為28;考慮裝配的便利性，初選行星輪的個(gè)數(shù)為4，選定氣隙為0.5 mm。根據(jù)選定的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，建立實(shí)驗(yàn)樣機(jī)模型如圖5所示，裝配過(guò)程無(wú)干涉，各部件布局合理。

圖5 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)模型

為了研究超環(huán)面電動(dòng)機(jī)在無(wú)勵(lì)磁電流作用下靜態(tài)磁場(chǎng)分布及氣隙磁密變化情況，基于樣機(jī)各參數(shù)，在Maxwell 2D環(huán)境下建立有限元模型。蝸桿內(nèi)定子鐵心材料為DW540－50，永磁體材料為NdFe30。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖6(a)所示，氣隙部分網(wǎng)格劃分采取加密處理，經(jīng)計(jì)算及后處理后得到磁密及矢量圖如圖6(b)所示。

由圖6(b)可以看出，行星輪磁齒之間以及環(huán)面外定子螺旋磁齒之間均存在一定的漏磁，由于蝸桿電樞繞組無(wú)添加勵(lì)磁電流，兩條主磁路分別是行星輪磁齒與環(huán)面外定子磁齒和蝸桿內(nèi)定子之間的嚙合磁路。由磁場(chǎng)分布結(jié)果可知，磁路設(shè)計(jì)合理。在有限元模型的氣隙中指定一條穿過(guò)內(nèi)外氣隙的圓形路徑。通過(guò)場(chǎng)計(jì)算器得到指定路徑的氣隙磁密波形如圖7所示。

圖6 模型剖分及磁密矢量分布圖

圖7 氣隙磁密波形圖

行星輪磁齒與環(huán)面外定子磁嚙合的外氣隙磁場(chǎng)由永磁體提供，從圖7可以看出，外氣隙磁密波形整體呈現(xiàn)規(guī)則梯形波。而行星輪磁齒與蝸桿內(nèi)定子之間的內(nèi)氣隙磁密，由于蝸桿內(nèi)定子存在電樞槽，齒槽效應(yīng)明顯，內(nèi)氣隙磁密波形出現(xiàn)突變。其中，在外氣隙磁嚙合處，氣隙磁密最大達(dá)到了0.6886 T，內(nèi)氣隙中，磁密最大為1.0996 T，不存在過(guò)飽現(xiàn)象，磁場(chǎng)參數(shù)合理。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的混合勵(lì)磁超環(huán)面電動(dòng)機(jī)是一種新型空間電機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)緊湊和傳動(dòng)比范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩。在結(jié)構(gòu)參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，得到了減速比與內(nèi)外定子結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。通過(guò)對(duì)超環(huán)面電動(dòng)機(jī)磁嚙合關(guān)系的分析，得出了內(nèi)外定子螺旋軌跡線的表達(dá)式。完成了蝸桿內(nèi)定子的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的虛擬裝配，并對(duì)有限元模型磁場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行了仿真計(jì)算，驗(yàn)證了磁路設(shè)計(jì)及參數(shù)的合理性，為后續(xù)電機(jī)性能的研究提供了依據(jù)。

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