王晨， 曹光華， 王亮

(安徽機電職業(yè)技術學院電氣工程系， 安徽蕪湖241000)

新型內置-表貼式異向旋轉永磁電機的分析與研究

王晨， 曹光華， 王亮

(安徽機電職業(yè)技術學院電氣工程系， 安徽蕪湖241000)

針對海下航行器運行時易產生側滾現(xiàn)象，結合內置式永磁電機、表貼式永磁電機及雙轉子電機的特點，提出一種新型內置-表貼式異向旋轉永磁電機，運用磁路法分析此類電機的運行機理及磁路關系。在此基礎上，建立新型電機的有限元分析模型，分析其空載反電勢及齒槽轉矩。研究結果表明，隨著內外轉子相對位置的改變，內外電機的磁路呈現(xiàn)串聯(lián)-并聯(lián)-串并聯(lián)的變化關系，電機的空載反電勢正弦度較好、幅值較高，采用轉子斜極結構大大削弱了此類電機的齒槽轉矩、降低了振動及噪聲，設計出的新型電機滿足水下航行器用電機的要求。

內置-表貼；永磁電機；異向旋轉；齒槽轉矩

引言

近年來，隨著經濟全球化，各國對軍事上的投入逐漸增多。海軍作為衡量軍事實力的重要部隊，受到廣泛的重視。各國為了增強自身的海軍軍事實力，對水下航行器的研究投入了大量的資金和研究人力[1-2]。對于水下航行器，由螺旋槳驅動的推進裝置是其最重要的組成部分，推進裝置不僅產生推進力，還會產生使得航行器側滾的旋轉力，使得其前進的姿勢難以保持。為了解決水下航行器的側滾現(xiàn)象，一般采用高效率電機與機械齒輪相結合的方式，但齒輪的引入大大降低了整個系統(tǒng)的運行效率[1-4]。為了提高水下航行器的運行效率，將雙轉子電機應用至水下航行器成為研究熱點[2,5]。

國內外對雙轉子電機的研究文獻較多，文獻[5]提出一種盤式雙轉子電機，分析了電機的運行特性，并將其應用在噪聲要求較高的推進裝置中；文獻[6]提出一種新型定頻雙轉子風力發(fā)電機，基于等效熱網絡法分析其發(fā)熱特性，為其在風力發(fā)電領域的應用奠定基礎，并取得了一定的研究成果；文獻[7]提出一種定子永磁型雙轉子永磁電機，利用有限元方法分析其空載反電勢和電感特性，并將其應用在混合動力汽車中。上述相關文獻所提出的雙轉子電機，雖為雙機械端口輸出，但其旋轉方向依然只固定于同向旋轉，不適用于水下航行器推進器中。為了解決水下航行器易側滾、推進效率低下的問題，在結合國內外相關文獻的基礎上，提出一種水下航行器用內置-表貼式異向旋轉永磁電機，如圖1 所示。該電機為單電輸入，雙機械端口輸出，采用環(huán)形繞組的特殊形式，實現(xiàn)了同速、異向的旋轉。內轉子永磁體采用內置-表貼的特殊結構，提高了電機的輸出轉矩、減小了電機的脈動轉矩。同速異向旋轉及雙機械端口的輸出，大大簡化了水下航行器推進系統(tǒng)的結構，提高了運行效率，有效地消除了側滾轉矩。

1 電機的運行機理

新型內置-表貼異向旋轉永磁電機的結構如圖1 所示。電機由外而內由外轉子、外轉子永磁體、定子、內轉子表貼式永磁體、內轉子及內轉子內置式永磁體構成。定子雙邊開槽，采用單電輸入的端口。因此，該電機可近似看作內轉子永磁電機和外轉子永磁電機組合而成，其內轉子電機采用混合永磁體的特殊結構。雙邊開槽的定子繞組內放置環(huán)形繞組，為實現(xiàn)電機的同速異向旋轉，內外層定子繞組的任意兩相相序反接(如B、C相)，如圖2 所示。

圖1 電機結構示意圖

圖2 環(huán)形繞組連接圖

當定子繞組通入三相交流電時，內外層繞組產生兩套異向旋轉的磁場，磁場與內外轉子永磁體產生的磁場相互作用產生異向旋轉的電磁轉矩，分別帶動內外轉子轉動[7-8]。由圖1 可知，新型電機共用電機的定子軛部，磁力線在定子鐵芯耦合，磁通變換路徑隨著內外轉子永磁體相對位置的變化而成周期性的串聯(lián)、串并聯(lián)以及并聯(lián)交替變化。

2 新型電機的電磁關系

由前面的分析可知，新型電機可等效成一臺外轉子表貼式永磁電機和一臺內轉子內置-表貼式永磁電機的串聯(lián)，當電機的磁路不飽和時，利用同步電機的疊加原理，電機的磁動勢由電勵磁磁動勢和永磁體產生的磁動勢共同作用產生。

當電機的磁路飽和時，由于磁阻的非線性特性，磁通不再滿足線性疊加的前提條件。應用安培環(huán)路定律，磁動勢卻可滿足疊加原理，可先得出合成磁動勢，由合成磁動勢求出氣隙磁動勢[9-11]。

根據(jù)新型電機的電磁關系，內外轉子繞組相序反接，內外層永磁體產生的空載磁通在內外層繞組上感應的空載反電勢相串聯(lián)。當電機磁路不飽和時，對于主磁路，根據(jù)法拉第電磁感應定律，Ea∝Φa∝Fa∝I；而對于漏磁路，磁路的磁導率不變，磁路呈現(xiàn)非線性，Eσ∝Φσ∝I。可得到新型電機的電動勢平衡方程式為：

(1)

式中，Rai、Rao為內外層繞組的內阻；Eσi、Eσo為內外轉子電機產生的漏感應電勢；Eai、Eao為內外轉子電機產生的電樞反應電勢；Ei、Eo為內外轉子電機產生的空載反電勢。

根據(jù)場路耦合的原理，可得到：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，I為電機的定子電流，Xσo、Xao、Xσi、Xai分別為外轉子繞組漏電抗，外轉子繞組同步電抗，內轉子繞組漏電抗、內轉子繞組同步電抗。

結合式(1)～式(5)，可得到新型電機的下列電動勢平衡方程式：

(6)

其中：

R=Rai+Rao，X=Xai+Xao+Xσi+Xσo，E=Ei+Eo

由電壓平衡方程式可知，新型電機可等效為內轉子電機和外轉子電機的串聯(lián)，它們的負載電流相同。

3 新型電機的磁路分析

3.1 定子鐵芯磁場分布

由交流電機的基礎知識可知，對于普通的三相永磁電機，定子鐵芯產生的磁場為旋轉磁場。本文提出的新型異向旋轉永磁電機，其定轉子的特殊結構導致定子鐵芯的磁場分布不符合一般三相永磁電機的分布規(guī)律。分了簡便分析新型電機定子磁場，做出如下假設[12-15]：

(1) 兩套繞組通入的為三相正弦交流電流。

(2) 不計鐵芯飽和的影響。

(3) 繞組的電流集中在槽中心處。

(4) 取電機的磁極對數(shù)p=1，每極每相槽數(shù)q=1。

當兩套繞組通入三相交流電時，A、B、C三相繞組的空間相差120電角度，三相繞組產生幅值相等、空間上相差120電角度的基波磁動勢，取其中一相(A相)的軸線為參考線進行分析。三相電流為：

(7)

由前述的分析，假設基波磁動勢的幅值為Fm，則外轉子電機及內轉子電機定子繞組Ao、Bo、Co、Ai、Bi、Ci產生的基波磁動勢分別為：

(8)

式中，F(xiàn)m為基波磁動勢的幅值；fΦAo、fΦBo、fΦCo、fΦAi、fΦBi、fΦCi動分別為外轉子電機三相繞組和內轉子電機三相繞組產生的基波磁動勢。

定子鐵芯產生的合成磁動勢為內定子、外定子繞組產生的磁動勢之和。由積化和差及和差化積的公式可得。

(9)

由式(9)可知，定子合成磁動勢為空間位置不變，大小隨時間變化的磁動勢，即脈振磁動勢[12]。

3.2 轉子的磁路分析

由于定子鐵心磁場為脈振磁場，而內外轉子是異向旋轉，當內外轉子發(fā)生轉動時，內外轉子永磁體的相對位置將發(fā)生改變。相對位置的改變，使得新型電機的磁路不是簡單的串并聯(lián)關系，圖3 為內外轉子相對發(fā)生改變時電機的磁力線分布圖。

圖3 電機磁路圖

由圖3 可知，當內外轉子處于圖3 (a)所示的位置時，電機的磁路處于并聯(lián)的關系；當電機的內外轉子處于圖3 (b)所示的位置時，內外轉子磁路處于串聯(lián)的關系；當內外轉子處于圖3 (c)所示的位置時，內外轉子的磁路既有串聯(lián)磁路和并聯(lián)磁路。

4 新型電機的電磁特性分析

由電機的磁路分析可知，普通的磁路分析法必然會造成分析結果的誤差較大，本文采用有限元分析的方法分析此新型電機。

空載反電勢為永磁電機的定子繞組不通電時，永磁體產生的空載磁通鏈經過定子繞組產生的感應電勢，其值大小反映電機的效率及輸出性能。

建立電機的有限元分析模型，分析該新型電機的空載反電勢。由于新型電機采用環(huán)形繞組，每一相繞組的反電勢為外轉子電機與內轉子電機的空載反電勢的疊加之和，且電機的初始位置角度對空載反電勢的大小有影響，需選擇合適的轉子位置角度，得到內外轉子的空載反電勢的波形圖，如圖4 所示。

圖4 新型電機的空載反電勢

由圖4 可知，內外轉子電機空載反電勢幅值大約為197V左右，反電勢正弦度較高，符合水下航行器的設計要求，電機設計合理。

新型電機的齒槽轉矩為電機不通電時，氣隙中磁場能量的變化對轉子位置角度的負導數(shù)。設置零激勵電流源，細分氣隙的剖分質量，設置電機低速旋轉，得到內外轉子電機的齒槽轉矩，如圖5 所示。

圖5 新型電機的齒槽轉矩

由圖5 可知，內轉子電機的齒槽轉矩為5N·m，外轉子電機的齒槽轉矩大約為8N·m。電機的齒槽轉矩較大，易產生振動和噪聲，采用永磁體斜極的方法削弱該新型電機的齒槽轉矩，得到斜極前后電機的齒槽轉矩，如圖6 所示。

圖6 斜極前后齒槽轉矩對比

由圖6 可知，采用永磁體斜極后，齒槽轉矩幅值由5N·m、8.5N·m削弱至2.2N·m、2.5N·m，齒槽轉矩得到明顯削弱，電機的振動和噪聲情況得到明顯的改善和調節(jié)。

5 結束語

本文提出一種水下航行器用新型內置-表貼式異向旋轉電機，分析新型電機的運行機理及電磁關系。結果表明，內外轉子的相對位置發(fā)生改變時，電機的磁路發(fā)生改變；新型電機的空載反電勢正弦度較高，符合水下航行器的設計要求；通過轉子斜極可大大削弱新型電機的齒槽轉拒。

[1]陳進華.異向旋轉雙轉子永磁電機研究.沈陽:沈陽工業(yè)大學,2012.

[2]張林森,徐海珠,胡平.新型雙轉子永磁電機轉速同步技術的研究進展.微特電機,2015,43(4):77-79.

[3]丁文俊,宋保維,毛昭勇,等.淺水域探測型無人水下航行器海洋動能發(fā)電裝置特性研究.西安交通大學學報,2014,48(4):73-78.

[4]STONER A W,RYER C H,PARKER S J,et al.Evaluating the role of fish behavior in surveys conducted with underwater vehicles.Canadian Journal of Fisheries & Aquatic Sciences,2008,65(3):1230-1243.

[5]HUANG S,AYDIN M,LIPO T A.Comparison of (non-slotted and slotted) surface mounted PM motors and axial flux motors for submarine ship drives//Proceeding of the 3rd Naval Symposium on Electrical Machines,Philadelphia,December 4-7,2000:1417-1426.

[6]張建忠,姜永將.基于等效熱網絡法的定頻雙轉子永磁風力發(fā)電機的熱分析.電工技術學報,2015,30(2):87-97.

[7]HU J,LUO Y L,LIU M J.Analysis of the iron loss of line start permanent magnet synchronous motor using time-stepping finite element method//Proceedings of the 11th International Conference on Electrical Machines and Systems Volume 6,Wuhan,October 17-20,2008:3237-3240.

[8]李延升,竇滿峰,樊鑫.表貼式永磁電機氣隙磁場及齒槽轉矩解析計算.微特電機,2012,40(12):9-15.

[9]倪有源,余長城,黃亞.通用型永磁同步屏蔽電機電磁設計.微特電機,2016,44(4):1-4.

[10]張永昌,高素雨.考慮延時補償?shù)挠来磐诫姍C電流預測控制.電氣工程學報,2016,11(3):13-20.

[11]HSIEH M F,YEH Y H.Rotor eccentricity effect on cogging torque of PM generators for small wind turbines.IEEE Transactions on Magnetics,2013,49(5):1897-1900.

[12]曲子揚,陳兵,高淑慧,等.考慮輸入飽和的永磁同步電機隨機非線性控制.青島學報大學:工程技術版,2016,31(1):40-46.

[13]郭培,史涔溦,王莉.兩極異步起動永磁同步電機齒槽轉矩的研究.微電機,2013,46(5):21-26.

[14]王秀和,丁婷婷,楊玉波,等.自起動永磁同步電動機齒槽轉矩的研究.中國電機工程學報,2005,25(18):167-170.

[15]楊玉波,王秀和,丁婷婷,等.極弧系數(shù)組合優(yōu)化的永磁電機齒槽轉矩削弱方法.中國電機工程學報,2007,27(6):7-11.

Analysis and Research of the New Built-surface and Counter-rotating Permanent Magnet Motor

WANGChen,CAOGuanghua,WANGLiang

(Department of Electrical Engineering, Anhui Technological College of Machinery and Electricity, Wuhu 241000, China)

For the side rolling of underwater vehicle in operation, and in combination of the characteristics of built-in permanent magnet motor, surface-mounted permanent magnet motor and dual-rotor motor, a novel built-in surface-mounted counter-rotating permanent magnet motor is proposed. The operating mechanism and the relationship with magnetic circuit by the method of magnetic circuit are analyzed. On the basis of this, the finite element analysis model of the new motor is built, besides, its no-load back-EMF (electromotive force) and cogging torque are analyzed. The research results show that, with the change of the relative position of internal and external rotors, the relationships of series, parallel, serial-parallel in the magnetic circuits of internal and external motors are changed; the no-load back EMF of the motor has a good sinusoidal and a high amplitude; the cogging torque of such motors, the vibration and the noise is reduced greatly by the oblique pole structure of rotor, so the new motor can meet the requirements of underwater vehicles.

surface-mounted; permanent magnet motor; counterrotating; cogging torque

2016-09-18

安徽省自然科學重點研究項目(KJ2016A128);安徽機電職業(yè)技術學院自然科學重點項目(2016zdzr019)

王 晨(1987-),男,安徽桐城人,講師,碩士,主要從事新型電機設計與分析方面的研究,(E-mail)wangchen1071@163.com

1673-1549(2017)01-0038-05

10.11863/j.suse.2017.01.07

TM351

A