鞠宇寧，徐忠義，張東寧，施楊華

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

近年來(lái)，隨著新材料、新工藝的發(fā)展以及機(jī)械加工能力的提高，分?jǐn)?shù)槽永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)憑借其低定位轉(zhuǎn)矩、高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，在各種家用電器、IT設(shè)備等小功率場(chǎng)合和直驅(qū)大功率場(chǎng)合中得到廣泛應(yīng)用。

槽極組合是電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，其選擇直接影響電機(jī)性能的優(yōu)劣、電機(jī)加工的成本及難易程度。分?jǐn)?shù)槽繞組技術(shù)在解決電機(jī)極數(shù)與槽數(shù)之間矛盾的同時(shí)，為永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供了更多的可能性。已經(jīng)有眾多的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)如何選擇槽極組合進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)[1-2]研究了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)分?jǐn)?shù)槽繞組的相數(shù)m、槽數(shù)z、極對(duì)數(shù)p等設(shè)計(jì)參數(shù)之間的相互關(guān)系和約束條件。文獻(xiàn)[3-4]專題系列研究了槽極組合對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩、不平衡磁拉力、繞組磁勢(shì)諧波、紋波轉(zhuǎn)矩的影響。文獻(xiàn)[5]定性給出不同槽極組合齒槽轉(zhuǎn)矩的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)、定子磁勢(shì)諧波和紋波轉(zhuǎn)矩的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并給出分?jǐn)?shù)槽集中繞組的一種選擇指標(biāo)：0.5<槽數(shù)/極數(shù)<1。文獻(xiàn)[6]從繞組系數(shù)、鐵心利用率、凸極率和弱磁能力等多個(gè)角度對(duì)比了分?jǐn)?shù)槽集中繞組和整數(shù)槽分布繞組的差別。

根據(jù)磁鋼在轉(zhuǎn)子鐵心中的位置和充磁方式的不同，可以將轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)分為表貼式、內(nèi)置徑向式、內(nèi)置切向式(國(guó)外稱為Spoke型)、內(nèi)置混合式[7]。每種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)各有其特點(diǎn)，文獻(xiàn)[8]分別對(duì)比了表貼式和內(nèi)置徑向式電機(jī)的性能指標(biāo)，但對(duì)比的電機(jī)尺寸不同。文獻(xiàn)[9]分析了內(nèi)置徑向式和內(nèi)置切向式兩種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，但對(duì)比方案的磁鋼用量差別較大。

綜合考慮電機(jī)的性能要求和生產(chǎn)加工，如何更好、更快地選擇合適的槽極組合和轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)是電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以12槽10極、表貼式轉(zhuǎn)子電機(jī)作為初始方案，以輸出轉(zhuǎn)矩作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，從槽極組合和轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的角度設(shè)計(jì)4組具有代表性的組合方案進(jìn)行對(duì)比，這4組方案分別是：24槽10極，表貼式轉(zhuǎn)子；12槽14極，表貼式轉(zhuǎn)子；12槽10極，內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子；12槽10極，內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子。

1 初始方案

1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)控制變量法的基本原則，本文研究的自變量有轉(zhuǎn)子極數(shù)、定子槽數(shù)和轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，除此之外其它設(shè)計(jì)參數(shù)、材料盡可能保持一致。初始方案的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 初始方案主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 評(píng)判指標(biāo)

為對(duì)比不同方案之間的差異，評(píng)判指標(biāo)不能選擇齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、諧波畸變率等對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感的參數(shù)。

本文選擇繞組相電流、相電阻、定子沖片截面積、磁鋼截面積以及定子齒部、軛部磁密作為各方案之間的評(píng)判指標(biāo)，初始方案的評(píng)判指標(biāo)如表2所示。

表2 初始方案的評(píng)判指標(biāo)

2 不同槽極組合

本文是通過(guò)對(duì)比分析僅改變極數(shù)或僅改變槽數(shù)來(lái)研究不同槽極組合對(duì)設(shè)計(jì)和性能的影響。

2.1 僅改變槽數(shù)

為改變槽數(shù)的同時(shí)不降低繞組系數(shù)，改變槽數(shù)的原則是增大繞組節(jié)距。方案1的槽極組合選為24槽10極，繞組采用的是節(jié)距為2的分?jǐn)?shù)槽分布繞組，繞組系數(shù)僅由0.933降至0.925；轉(zhuǎn)子側(cè)設(shè)計(jì)與初始方案相同。按照表1的要求設(shè)計(jì)，方案1的輸出轉(zhuǎn)矩為3.81 N·m，槽滿率46%，與初始方案的對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 方案1與初始方案對(duì)比

通過(guò)表3可以看出，兩方案在輸出相同轉(zhuǎn)矩的情況下所需電流相同，定子齒部和軛部的磁密大小基本一致。方案1采用分布繞組后，相電阻更小，定子齒部寬度隨槽數(shù)增加而減小，定子沖片截面積因軛部加寬而增大。對(duì)比圖1和圖2還可以看出，采用分布繞組后鐵心的利用率得到提高。

圖1 初始方案磁密分布云圖

圖2 方案1磁密分布云圖

2.2 僅改變極數(shù)

初始繞組方案為12槽集中繞組，在不降低繞組系數(shù)的前提下，方案2選擇的極數(shù)為14極，其繞組系數(shù)不變；定子側(cè)設(shè)計(jì)與初始方案相同。按照表1的要求設(shè)計(jì)，方案2的輸出轉(zhuǎn)矩為3.80 N·m，槽滿率49%，與初始方案的對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 方案2與初始方案對(duì)比

通過(guò)表4和圖3可以看出:方案2與初始方案相比，磁鋼截面積相差不大，但磁鋼的利用率得到提高；輸出相同轉(zhuǎn)矩所需的電流有所下降，定子齒部和軛部的磁密下降幅度較大，定子鐵心可以進(jìn)一步縮小。

圖3 方案2磁密分布云圖

3 不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

與表貼式轉(zhuǎn)子相比，內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子和內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子的特點(diǎn)有：

1)漏磁偏大，等量磁鋼提供的有效磁通偏小；

2)d軸電感不等于q軸電感，由此可利用其凸極效應(yīng)產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩來(lái)提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。但對(duì)于分?jǐn)?shù)槽集中繞組電機(jī)，其單個(gè)齒上的繞組匝數(shù)多，削弱了內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的凸極效應(yīng)[6]；

3)能夠防止磁鋼在高速下因離心力而脫落；

4)磁鋼位于轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，其產(chǎn)生渦流損耗更小。

3.1 內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子

方案3是在初始方案的基礎(chǔ)上，定子側(cè)設(shè)計(jì)不變，僅將表貼式轉(zhuǎn)子改為內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子。按照表1的要求設(shè)計(jì)，方案3的輸出轉(zhuǎn)矩為3.80 N·m，槽滿率49%，與初始方案的對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 方案3與初始方案間對(duì)比

方案3與初始方案相比，磁鋼用量相當(dāng)，但磁鋼漏磁增加，每極提供的有效磁通減少，因此輸出相同的轉(zhuǎn)矩需要更大的電流。

表5中，電流7.7 A對(duì)應(yīng)電流角為16°，此時(shí)利用磁阻轉(zhuǎn)矩使輸出轉(zhuǎn)矩滿足要求,在電流角為0時(shí)，僅依靠電磁轉(zhuǎn)矩輸出指定轉(zhuǎn)矩，需要的電流為8.2 A。不同電流角對(duì)應(yīng)的磁密分布如圖4所示。對(duì)比圖4(a)和圖4(b)可以看出，通過(guò)增大電流的方式來(lái)增加輸出轉(zhuǎn)矩，易導(dǎo)致定子齒部和軛部磁密升高，不利于電機(jī)的過(guò)載。

圖4 方案3磁密分布云圖

3.2 內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子

方案4與方案3類似，將轉(zhuǎn)子改為內(nèi)置切向式結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)切向式轉(zhuǎn)子的磁鋼在靠近轉(zhuǎn)軸處側(cè)漏磁大的特點(diǎn)，將每個(gè)磁鋼劃分為兩部分，對(duì)應(yīng)部分分別使用高牌號(hào)和低牌號(hào)兩種磁鋼。高牌號(hào)磁鋼負(fù)責(zé)提供有效磁通，低牌號(hào)磁鋼負(fù)責(zé)提供漏磁通以填充漏磁路。按照表1的指標(biāo)設(shè)計(jì)，方案4的輸出轉(zhuǎn)矩為3.80 N·m，槽滿率49%，與初始方案之間的對(duì)比結(jié)果如表6所示。

表6 方案4與初始方案間對(duì)比

表6中，磁鋼截面積的39和15分別對(duì)應(yīng)N40UH和N35UH磁鋼的截面積。鑒于內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子的凸極率也大于1，對(duì)方案4的分析也對(duì)應(yīng)有電流角為0和15°兩種情況，表6中電流6.8 A對(duì)應(yīng)的電流角為15°。當(dāng)電流角為0時(shí)，輸出指定轉(zhuǎn)矩需要的電流與初始方案一致，為7.05 A。不同電流角對(duì)應(yīng)的磁密分布如圖5所示。

圖5 方案4磁密分布云圖

內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子的每極磁通由兩個(gè)磁鋼提供，因此每極有效磁通有所增加，但對(duì)應(yīng)靠近轉(zhuǎn)軸側(cè)的漏磁增加，圖5(a)能夠看到漏磁路的位置和漏磁通走向，因此需要采取合理的設(shè)計(jì)減少漏磁。從結(jié)果來(lái)看，方案4在滿足輸出轉(zhuǎn)矩的情況下，若不借助磁阻轉(zhuǎn)矩，電流仍保持在7.05 A，借助磁阻轉(zhuǎn)矩后，電流可以進(jìn)一步減小到6.8 A。對(duì)比圖5(a)和圖5(b)可以間接看出，由于每極磁通的增加，定子齒部和軛部的磁密更高，此時(shí)設(shè)置合理的電流角既可以降低定子齒部和軛部的磁密，又可以借助磁阻轉(zhuǎn)矩提高電機(jī)的輸出能力。

4 分 析

本文以12槽10極表貼式永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，從改槽數(shù)、改極數(shù)、改轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)三個(gè)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了4種設(shè)計(jì)階段可能采用的方案組合，并研究了每種方案各自的特點(diǎn)。

方案1采用了節(jié)距大于1的分布繞組。采用分布繞組的潛在優(yōu)勢(shì)是在一定程度上消除繞組諧波，降低氣隙磁密的畸變率，從而改善轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和鐵耗，但相應(yīng)地，定子軛部經(jīng)過(guò)的磁通增加，軛部寬度比采用集中繞組方案的更寬，定子鐵心用量增加。此外，分布繞組不利于機(jī)械自動(dòng)化繞線，在一定程度上增加了生產(chǎn)成本；定子齒部寬度過(guò)窄還可能影響沖床的刀具壽命以及沖片性能。綜上可知，方案1適合用于降低諧波來(lái)優(yōu)化氣隙磁密波形，以抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、鐵耗以及人工繞線的場(chǎng)合，不適用于對(duì)質(zhì)量有要求的場(chǎng)合。

方案2采用了改變極數(shù)的方法。初始方案的槽數(shù)大于極數(shù)，方案2的極數(shù)大于槽數(shù)，但繞組系數(shù)和磁鋼用量保持不變。從最終效果看，極數(shù)的增加使得磁鋼的利用率得到提高，電機(jī)電流相應(yīng)減小，鐵心內(nèi)磁密幅值明顯下降，鐵心質(zhì)量有較大優(yōu)化空間。因此可以看出，方案2的設(shè)計(jì)思路更適用于對(duì)電機(jī)質(zhì)量、損耗有要求的高效、高功率密度場(chǎng)合。

方案3和方案4均是改變了轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，由凸極率為1的表貼式轉(zhuǎn)子改為凸極率大于1的內(nèi)置式轉(zhuǎn)子。方案3轉(zhuǎn)子側(cè)磁鋼漏磁大，導(dǎo)致其輸出性能偏差，需要利用磁阻轉(zhuǎn)矩和增大電流的方式才能滿足輸出轉(zhuǎn)矩要求，而電流的增大使得鐵心的整體磁密幅值也有所提高，從而限制了電機(jī)過(guò)載能力的提高；方案4在靠近轉(zhuǎn)軸側(cè)也存在較大漏磁，本文采用低牌號(hào)磁鋼填補(bǔ)漏磁路、高牌號(hào)磁鋼提供有效磁通的方案解決漏磁大的問(wèn)題，最終效果是在不改變電流的情況下滿足輸出轉(zhuǎn)矩要求，利用磁阻轉(zhuǎn)矩后電流可進(jìn)一步縮小。綜上可以看出，針對(duì)方案3和方案4轉(zhuǎn)子磁路漏磁較大的問(wèn)題，可以分別采用增大電流和減少漏磁的方式增大輸出轉(zhuǎn)矩，但方案3的鐵心容易飽和，因此方案3不適用于大轉(zhuǎn)矩、經(jīng)常有過(guò)載需求的場(chǎng)合。根據(jù)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，方案3和方案4均適用于高速輕載的場(chǎng)合。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文借助以上對(duì)比分析，旨在縮短設(shè)計(jì)階段的方案選擇周期，以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。以上各方案相比初始方案分別僅改變了槽數(shù)、極數(shù)和轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)比結(jié)果可以得到每種方案各自的特點(diǎn)?；诖丝梢愿鶕?jù)實(shí)際需求將以上方案互相組合，從而快速獲得滿足實(shí)際需求的設(shè)計(jì)方案。