双馈交替极磁通反向电机极槽配合研究
时间：2023-02-28 11:40:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
窦永亮，杨自栋，郑语婷
（1.311300 浙江省 杭州市 浙江农林大学；
2.310027 浙江省 杭州市 浙江科技学院）
随着《中国制造2025》的提出，高效节能成为我国工业生产发展的方向，电机作为生产中的动力设备被广泛应用[1-2]。定子上有永磁体(PM)的电机被称为定子永磁电机，由于它们克服了转子永磁电机散热差和退磁风险大的问题，因此在过去的几十年中受到了相当大的关注[3-5]。根据永磁体的位置，定子永磁电机主要可分为3 类：永磁体插入定子齿中的磁通切换永磁（FSPM）电机[6-7]，永磁体插入定子轭中的双凸极电机[8]，永磁体安装在定子齿表面上的磁通反向电机（FRM）[9-10]。其中FRMs 在低速大转矩应用中引起相当大的关注[11]。
传统FRM 的转矩性能由于其固有的较大等效气隙长度以及绕组和PM 之间的空间冲突而受到限制。为了提高转矩密度，许多新式的FRM 结构被提出，包括但不限于使用铁芯作为另一个磁极的交替极结构[12-13]，在每个定子齿的表面上安装多块磁铁[14-15]，在定子内表面上放置均匀分布的PM[16]，或在定子槽开口中使用halbach 阵列磁铁[17]。上述研究与传统FRM相比实现了不同程度的转矩提升，但绕组和PM 之间的空间冲突问题依然存在，制约了转矩密度的进一步增长。
最近，一种新型双馈（DF）FRPM (DF-FRPM)电机被提出。该电机在定子和转子槽中放置有两组独立的电枢绕组，其谐波分析也在得到了详尽的研究。DF-FRPM 从根本上解决了绕组和PM 之间的空间冲突，实现了极大的转矩提升。基于2 组电枢绕组的概念，提出了一个12 定子槽/14 转子槽DF 交替极（CP）FRM（DF-CPFRM），并对其电磁性能进行研究，与传统的CPFRM 进行了比较。然而定子和转子的极槽配合没有被上述研究考虑在内，它会影响优化过程中的关键参数选择，更重要的是，它会对DF-CPFRM 的电磁性能产生影响。
本文将对DF-CPFRM 的极槽配合进行研究，对5 个具有不同极槽配合的DF-CPFRM 和一个传统CPFRM 进行优化，并基于有限元(FE)方法比较它们的电磁性能，然后制造一个样机来验证上述有限元分析。
图1（a）展示了只在定子槽中有电枢绕组的传统12 定子槽/14 转子槽 CPFRM 结构，图1（b）—图1（f）展示了5 个具有不同极槽配合的DF-CPFRM 结构，即定子极数为12，而转子极数分别为10、11、13、14 和16。需要说明的是，6台电机的定子相数均为3，而10、11、13、14、16转子槽的DF-CPFRM 的转子相数分别为5、11、13、7 和4。它们的定子与转子绕组分相情况也展示在图1 中。应该注意的是，转子相数的增加有利于提高电机的容错能力，但也会导致需要更多的电力电子器件[18]，因此需要在容错能力和成本之间权衡。
图1 CPFRM 和DF-CPFRFM 结构图Fig.1 CPFRM and DF-CPFRFM configurations
在本节中，前面提到的CPFRM 和5 个DFCPFRM 都以转矩最大为目标进行了优化。研究定子和转子的极槽配合对优化过程中关键参数选择的影响。为了保证性能对比的公平性，所有电机均采用相同的定子外径、轴向长度和总铜损（32 W）。
1.1 裂比
裂比是一个关键参数，它对这些具有不同极槽配合的DF-CPFRM的平均转矩的影响如图2所示。很明显，所有电机都具有相同的转矩变化趋势，并且与传统的CPFRM 相比，整体上DF-CPFRM 具有更高的转矩。10、11、13 转子槽的DF-CPFRM 在裂比为0.7 时转矩最大，而14、16 转子槽的DFCPFRM 在裂比达到0.72 时转矩最大，因为后者具有更多的转子齿，需要更多的转子电枢绕组空间。
图2 裂比对转矩的影响Fig.2 Torque variation against split ratio
1.2 定子槽口比
定子槽口比，即定子槽口宽度与定子极距之比，对平均转矩的影响如图3 所示。与传统的CPFRM 相比，DF-CPFRM 具有更小的最优定子槽口比，因为较小的定子槽口会导致较大的PM 体积，有利于转子转矩的产生。10 转子槽的DF-CPFRM的最优定子槽口比为0.05，而16 转子槽的DFCPFRM 在定子槽口比为0.15 时获得最大转矩。
图3 定子槽口比对转矩的影响Fig.3 Torque variation against stator slot opening ratio
1.3 转子槽口比
图4 展示了平均转矩相对于转子槽口比的变化，即转子槽开口宽度与转子极距的比值。所有电机都表现出相同的变化趋势，转矩先增大然后减小。这是因为较大的转子槽口减少了漏磁，导致转矩增大，但当转子槽口过大时，会削弱转子齿的调制作用，导致转矩降低。10、11、13 转子槽的DF-CPFRM 的最优转子槽口比为0.75，而14、16转子槽的DF-CPFRM 的最优转子槽口比为0.7。因为后两种电机的转子齿宽较窄，在这些情况下，较小的转子槽口比有利于转子齿的调制效果。
图4 转子槽口比对转矩的影响Fig.4 Torque variation against rotor slot opening ratio
1.4 永磁体厚度和永磁体比
PM 至关重要的尺寸包括厚度和比，它们对转矩性能的影响如图5 和图6 所示。PM 厚度涉及永磁磁通和等效气隙长度。更大的PM 厚度会导致更高的永磁磁通，但也会导致更大的等效气隙长度，因此在这两个因素之间存在折衷，并且存在最优PM 厚度。可以观察到，当PM 厚度为3 mm 时，所有电机都获得最大的转矩。
图5 PM 厚度对转矩的影响Fig.5 Torque variation against magnet thickness
图6 PM 比对转矩的影响Fig.6 Torque variation against magnet ratio
PM 比定义为PM 宽与定子齿宽之比。图6 展示了平均转矩随PM 比的变化。可以发现，无论极槽配合如何，所有电机都表现出相同的趋势和相同的最优PM 比。当PM 比为0.5 时，即PM 宽度等于铁磁极靴宽度时，所有电机都获得最大的转矩。
在全局优化后，本节研究和比较了具有上述极槽配合的CPFRM 和DF-CPFRM 的电磁性能，包括反电动势、转矩性能、损耗和效率。所有电机优化后的关键参数如表1 所示。
表1 CPFRM 和 DF-CPFRM 优化后的关键参数表Tab.1 Main parameters of optimized CPFRM and DF-CPFRMS
CPFRM 和DF-CPFRMs 的定子相反电动势频谱如图7 所示。可以观察到，11 和13 转子槽的DF-CPFRMs 只有奇次谐波，而其他的同时表现出奇次谐波和偶次谐波，此外，随着转子齿数的增加，定子相反电动势的幅值也增加，但具有16 转子槽的DF-CPFRM 的定子相反电动势幅度值在所有DF-CPFRM 中最低，这主要是因为绕组因数小。
图7 CPFRM 和 DF-CPFRMs 的定子相反电动势频谱图Fig.7 Stator back-EMF spectra of CPFRM and DF-CPFRMs
图8 展示了具有不同极槽配合的DF-CPFRM的转子相反电动势频谱。可以看出，所有DFCPFRM 的转子相反电动势都表现出较大的3 次谐波，这将导致转子相数为4 的16 转子槽的DFCPFRM 产生转矩脉动。但具有10、11、13 和14转子槽的DF-CPFRM 不会产生转矩脉动，因为它们的转子相数分别为5、11、13 和7。具有16 转子槽的DF-CPFRM 具有最低的幅值，这是由于较低的绕组因数和减弱的调制效应。
图8 CPFRM 和 DF-CPFRMs 的转子相反电动势频谱图Fig.8 Rotor back-EMF spectra of CPFRM and DF-CPFRMs
CPFRM 和DF-CPFRM 的齿槽转矩峰值和平均转矩性能见表2。显然，与传统的CPFRM 机相比，所有极槽配合的DF-CPFRM 都表现出更大的平均转矩。其中，11 转子槽的DFCPFRM 平均转矩最大，14 转子槽的DFCPFRM 齿槽转矩最小。可以发现，当定子槽数接近转子槽数时，即12 定子槽DF-CPFRM 带有11 或13 转子槽时，可以获得较大的平均转矩。
表2 CPFRM 和DF-CPFRM 的转矩性能Tab.2 Torque performance of CPFRM and DF-CPFRMS
CPFRM 和DF-CPFRM 的过载能力对比见图9。可以看出，当电负荷较低时，11、13、14 转子槽的DF-CPFRM 均具有较大转矩能力，而14 转子槽的DF-CPFRM在高电负荷下表现出最大平均转矩。
图9 CPFRM 和DF-CPFRM 转矩与铜耗特性图Fig.9 Torque versus copper loss characteristics of CPFRM and DF-CPFRMs
表3 给出了CPFRM 和DF-CPFRM 的损耗和效率比较。可见，与铜损相比，铁损相对较小。所有DF-CPFRM 由于输出功率较大，表现出比传统CPFRM 更高的效率。在5 种不同极槽配合的DFCPFRM 中，11 转子槽的DF-CPFRM 铁损最小，输出功率最大，效率最高。
表3 CPFRM 和DF-CPFRM 的损耗和效率表Tab.2 Loss and efficiency of CPFRM and DF-CPFRMS
制作了12 定子槽/14 转子槽DF-CPFRM 样机并进行实验，以验证前面的FE 分析。图10 给出了12 定子槽/14 转子槽样机的照片，包括叠片、定子、转子、滑环和整机。
图10 12 定子槽/ 14 转子槽DF-CPFRM 样机Fig.10 12-stator-slot/14-rotor-slot DF-CPFRM prototype
样机的齿槽转矩可采用文献[12]介绍的简单方法测量。有限元预测和实测的齿槽转矩波形的比较如图11 所示，可以观察到良好的一致性，它们之间的不匹配主要是由制造公差引起。
图11 有限元预测和实测的齿槽转矩波形Fig.11 FE predicted and tested cogging torque waveforms
图12 对比了样机在300 r/min 时的FE 预测和实测反电动势波形，包括定、转子相反电动势。可见，反电动势基波实测值略小于FE 预测值，主要是由于忽略了端部效应。总的来说，实验结果与有限元结果吻合较好。
图12 有限元预测和实测的反电动势波形Fig.12 FE predicted and tested back EMF waveforms
通过供给三相定子电枢绕组和的七相转子电枢绕组直流电流，即可测量样机的定转子静态转矩。FE 预测与实验静态转矩波形对比见图13。可见实测定转子静态力矩与其FE 预测结果吻合较好。
图13 有限元预测和实测的静态转矩波形Fig.13 FE predicted and tested static torque waveforms
本文研究了定转子极槽配合对DF-CPFRM 的优化和电磁性能的影响。优化结果表明，具有较多转子齿的DF-CPFRM 具有较大的裂比和较小的转子槽口比。此外发现，当定子槽数接近转子槽数时，绕组因数较大，可获得较高的平均转矩。在5 种极槽配合的DF-CPFRM 中，11 转子槽的DF -CPFRM 具有最高平均转矩和效率，而14 转子槽的DF -CPFRM 在高电负荷下具有最好的过载能力。
猜你喜欢 槽口电动势永磁体 带槽口驳船水动力特性及运动性能研究❋中国海洋大学学报（自然科学版）(2022年9期)2022-09-05伸缩缝槽口混凝土受力特性及其构造优化研究交通科技(2022年4期)2022-08-29果蔬电池电动势和内阻的探究物理之友(2022年1期)2022-04-19基于田口法的内置式双层永磁体转子结构的设计与优化大电机技术(2022年1期)2022-03-16极间永磁体对爪极永磁电机性能影响仿真分析计算机仿真(2022年1期)2022-03-01箱梁预制负弯矩槽口施工改进技术研究河南水利与南水北调(2021年4期)2021-07-05专利名称:电机轴端旋转永磁体角度发送装置微特电机(2020年11期)2020-12-30带槽口缺陷的圆钢管短柱轴压性能试验福州大学学报（自然科学版）(2020年6期)2020-12-25竖向TMD用板式电涡流阻尼器磁路对比分析振动与冲击(2019年7期)2019-04-22“测定电池的电动势和内阻”复习课之八问中学物理·高中(2016年12期)2017-04-22
