司紀(jì)凱， 高蒙真， 封海潮， 高彩霞， 王要強(qiáng)

(1.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，鄭州 450001；2. 河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454001)

0 引 言

直驅(qū)永磁同步電機(jī)(direct-drive permanent magnet synchronous motor, DDPMSM)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電以及航空航天等領(lǐng)域[1-3]。在工業(yè)應(yīng)用中，受空間位置、安裝尺寸等限制，要求直驅(qū)永磁同步電機(jī)能夠在機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸一定的情況下，輸出更大的轉(zhuǎn)矩。因此，提高轉(zhuǎn)矩密度成為電機(jī)領(lǐng)域的重要研究課題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度進(jìn)行了深入的研究，得到了有效提高直驅(qū)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度的措施。文獻(xiàn)[4]通過改變極弧和極距的比值，減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，改善空載反電勢(shì)波形的正弦性，從而提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[5]在電機(jī)性能不變的情況下，以轉(zhuǎn)子質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化每極兩塊Halbach磁極結(jié)構(gòu)，減小轉(zhuǎn)子軛部厚度，提高轉(zhuǎn)矩密度。文獻(xiàn)[6]采用模塊化定子結(jié)構(gòu)，提高了槽滿率，轉(zhuǎn)子采用不導(dǎo)磁的鈹銅合金并設(shè)計(jì)隔磁橋使轉(zhuǎn)子漏磁達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)電負(fù)荷與磁負(fù)荷的最大化來提高轉(zhuǎn)矩密度。文獻(xiàn)[7]對(duì)比了分布繞組和集中繞組對(duì)反電勢(shì)諧波的消除作用，并分析了槽開口寬度對(duì)反電勢(shì)諧波的影響，通過合理選擇極槽配合以提高電機(jī)功率密度。文獻(xiàn)[8]根據(jù)內(nèi)置直驅(qū)永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，增加轉(zhuǎn)子隔磁橋的寬度來增大q軸電感，提高電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩。文獻(xiàn)[9-11]在電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)中注入了三次諧波分量，并施加帶有相同諧波成分的定子電流來提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。針對(duì)鐵鈷合金具有飽和磁密高、比轉(zhuǎn)矩大的特點(diǎn)，文獻(xiàn)[12-13]對(duì)比分析了鐵鈷合金與硅鋼片電機(jī)的性能，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相同電流下，鐵鈷合金電機(jī)具有更高的輸出轉(zhuǎn)矩?；谏鲜龇治隹芍岣唠姍C(jī)轉(zhuǎn)矩密度主要分為2個(gè)方面：電機(jī)參數(shù)的優(yōu)化和新材料的使用。

本文提出一種120°相帶環(huán)形繞組[14-16]，文獻(xiàn)[14]采用這種繞組方式提出了一種120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM，闡述了繞組連接方式的特點(diǎn)，介紹了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了其工作機(jī)理。為了進(jìn)一步研究120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM，基于相同電負(fù)荷和磁負(fù)荷及等永磁體用量下，本文建立傳統(tǒng)DDPMSM、傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM和120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的有限元模型，對(duì)比不同工況下3種電機(jī)的電磁性能。設(shè)計(jì)并制造一臺(tái)120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM樣機(jī)，搭建樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)比仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證有限元結(jié)果的正確性。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

如表1所示，為傳統(tǒng)電機(jī)中機(jī)座號(hào)為24槽4極的電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)?；趥鹘y(tǒng)DDPMSM中導(dǎo)體的分布和繞組連接，將繞組線圈的位置由纏繞于定子齒部變換為纏繞于定子軛部，從而形成傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM的繞組結(jié)構(gòu)，如表2所示。

在傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM的繞組結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，改變繞組的繞線方式，使所有繞組進(jìn)線端均位于定子的同一側(cè)，進(jìn)線方向一致，且以相同的繞線方向環(huán)形纏繞在定子軛部，從而形成120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM繞組結(jié)構(gòu)，如表3所示。

根據(jù)表1、表2和表3中的繞組分布，構(gòu)建傳統(tǒng)DDPMSM、傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM和120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的繞組連接，可得3種繞組方式下的定子結(jié)構(gòu)，如圖1所示。由圖1可知，與傳統(tǒng)電機(jī)不同，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM所有線圈的進(jìn)線端均位于定子的同一側(cè)，進(jìn)線方向相同且繞線方向一致。

表1 傳統(tǒng)DDPMSM的繞組結(jié)構(gòu)Table 1 Winding configuration for the conventional DDPMSM

表2 傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM的繞組結(jié)構(gòu)Table 2 Winding configuration for the conventional DDPMSM with toroidal windings

表3 120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的繞組結(jié)構(gòu)Table 3 Winding configuration for the DDPMSM with 120° phase belts toroidal windings

圖1 3種結(jié)構(gòu)電機(jī)的定子繞組分布Fig.1 Distribution of stator windings of three motors

圖2所示為120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2(a)為其三維爆炸圖，圖2(b)為定子繞組接線圖，圖2(c)為有限元仿真示意圖。

由圖2可知，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的繞組線圈嵌放在定子槽內(nèi)，兩端經(jīng)過定子鐵心并通過其定子軛背部閉合，形成環(huán)形繞組。從環(huán)形繞組的結(jié)構(gòu)可以看出，定子繞組線圈大小相同，每個(gè)定子槽中的定子線圈與其他線圈之間相互獨(dú)立，提高了電機(jī)繞組的絕緣性能，增加了電機(jī)的容錯(cuò)性。由于120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM定子內(nèi)部線圈直接裸露在空氣中，且定子內(nèi)部的剩余空間可用作通風(fēng)通道，從而增加了定子的散熱面積，提高了電機(jī)的散熱性能。此外，根據(jù)120°相帶環(huán)形繞組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將其做成雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，利用定子齒分隔定子軛部背側(cè)繞組，避免定子軛部背側(cè)繞組之間的相互接觸，進(jìn)一步提高繞組之間的容錯(cuò)性，同時(shí)提高電機(jī)繞組和定子沖片的利用率。

圖2 120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the DDPMSM with 120° phase belts toroidal windings structure

2 有限元建模

為了保證3種電機(jī)對(duì)比的可靠性，傳統(tǒng)DDPMSM和傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM的具體參數(shù)依照以下原則進(jìn)行選擇：

1)傳統(tǒng)DDPMSM和傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM的電流密度和磁通密度與120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM保持一致。

2)3種電機(jī)選取相同的極弧系數(shù)和永磁體的磁化高度，3種結(jié)構(gòu)電機(jī)中永磁體用量相同。

3)3種電機(jī)具有相同的氣隙長(zhǎng)度和軸向長(zhǎng)度。

4)傳統(tǒng)DDPMSM、傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM與120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM中定子槽型尺寸保持一致。

5)3種結(jié)構(gòu)電機(jī)的繞組線徑相同，單根導(dǎo)體漆包線均為0.73 mm。

基于以上設(shè)計(jì)原則，建立傳統(tǒng)DDPMSM、傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM和120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的有限元模型，如圖3所示。其中，3種結(jié)構(gòu)電機(jī)的主要參數(shù)如表4所示。由表4可知，傳統(tǒng)DDPMSM和傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM的體積相等。3種電機(jī)具有近似相同的磁負(fù)荷，考慮磁路設(shè)計(jì)120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的定子軛部和轉(zhuǎn)子軛部厚度相對(duì)薄一些，其體積約為傳統(tǒng)DDPMSM和傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM的80%左右。

表4 3種結(jié)構(gòu)電機(jī)的主要參數(shù)Table 4 Main parameters of three motor

圖3 3種電機(jī)的有限元模型Fig.3 Finite-element models of three motors

3 特性分析

3.1 空載特性

為了直觀地分析3種電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的異同之處，本節(jié)對(duì)3種電機(jī)的空載磁場(chǎng)分布、空載氣隙磁密以及空載反電勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比分析。

3.1.1 空載磁場(chǎng)分布

圖4為傳統(tǒng)DDPMSM、傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM和120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的空載磁場(chǎng)分布。由圖4可知，在電機(jī)空載時(shí)，由轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁力線沿著磁化方向穿過氣隙-定子齒部-定子軛部-氣隙-轉(zhuǎn)子軛部，構(gòu)成閉合回路。在每個(gè)磁極下，傳統(tǒng)DDPMSM與傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM中穿過2個(gè)定子齒的磁力線沿相同路徑與轉(zhuǎn)子軛部相交鏈；而120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM中穿過一個(gè)定子齒的磁力線與轉(zhuǎn)子軛部相交鏈。因此，傳統(tǒng)DDPMSM與傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM較120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM中轉(zhuǎn)子軛部的磁力線明顯較多。為了滿足3種電機(jī)在相同電負(fù)荷和磁負(fù)荷下進(jìn)行對(duì)比，傳統(tǒng)DDPMSM與傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM的磁軛厚度較厚。

圖4 空載磁場(chǎng)分布Fig.4 Magnetic flux distribution

3.1.2 空載氣隙磁密

如圖5所示，為3種電機(jī)的空載氣隙磁密。圖5(a)描述了3種電機(jī)的空載氣隙磁密波形，圖5(b)對(duì)比了空載氣隙磁密的頻譜分析結(jié)果。

圖5 空載氣隙磁密分析(工頻50 Hz)Fig.5 Analysis of no-load air gap flux density (frequency=50 Hz)

由圖5(b)可知，傳統(tǒng)DDPMSM、傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM和120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM中氣隙磁通密度的基波幅值分別為：0.932、0.931和0.974 T，其諧波畸變率分別為：23.62%、23.67%和22.96%。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的氣隙磁通密度基波幅值分別增加了4.51%、4.62%。此外，傳統(tǒng)DDPMSM與傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM在氣隙磁通密度波形及其諧波成分方面近似相同，且各次諧波的幅值也近似相等。其原因在于，兩種電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸、永磁體分布及繞組端部連接均相同，僅繞組嵌放的位置不同。

3.1.3 空載反電勢(shì)

1) 相同頻率下(工頻50 Hz)。

如圖6所示，為頻率為50 Hz下3種電機(jī)的空載反電勢(shì)對(duì)比。由圖6(a)可知，3種電機(jī)具有對(duì)稱的反電動(dòng)勢(shì)波形，且波形近似為正弦波。由圖6(b)可以看出，3種電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)波形中沒有偶次諧波，其反電勢(shì)基波幅值分別為：348.04、348.07和161.07 V。與傳統(tǒng)DDPMSM、傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM相比，在相同頻率(50 Hz)下，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的反電勢(shì)基波幅值分別降低了53.72%、53.72%。其原因在于3種結(jié)構(gòu)電機(jī)的磁通密度近似相等，但120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的轉(zhuǎn)速降低了一倍，使得120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的空載反電勢(shì)有所減小。此外，3種電機(jī)空載反電勢(shì)的總的諧波畸變率分別為：9.06%、9.11%和4.67%。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)相比，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的諧波含量最小，其反電勢(shì)波形的正弦性更好。

圖6 空載反電勢(shì)分析(工頻50 Hz)Fig.6 Analysis of no-load back EMF(frequency=50 Hz)

2)相同轉(zhuǎn)速下(1 500 r/min)。

圖7為轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)傳統(tǒng)DDPMSM、傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM和120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的空載反電勢(shì)。由圖7(a)可知，3種電機(jī)空載反電勢(shì)的幅值基本相同。因?yàn)椋鶕?jù)恒壓頻比理論可知，電機(jī)頻率升高時(shí)，其電壓增大。由圖7(b)可得3種結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)反電勢(shì)的基波幅值分別為：348.04、348.07和311.32 V；其反電勢(shì)波形中總的諧波畸變率分別為：9.06%、9.11%和2.37%。

圖7 空載反電勢(shì)分析(轉(zhuǎn)速1 500 r/min)Fig.7 Analysis of no-load back EMF (speed=1 500 r/min)

3.2 負(fù)載特性

利用有限元法，分別建立傳統(tǒng)DDPMSM、傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM和120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的電壓源激勵(lì)模型，對(duì)比3種結(jié)構(gòu)電機(jī)在相同頻率(50 Hz)與相同轉(zhuǎn)速(1 500 r/min)的運(yùn)行特性。

3.2.1 電樞磁場(chǎng)分布

如圖8所示，為某一時(shí)刻下傳統(tǒng)DDPMSM、傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM和120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的電樞磁場(chǎng)分布。由圖8可知，同一時(shí)刻下，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的電樞磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)是傳統(tǒng)電機(jī)電樞磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)的2倍。因此，采用120°相帶環(huán)形繞組可以使電機(jī)在傳統(tǒng)電機(jī)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生電樞磁場(chǎng)磁極倍增的效應(yīng)。

圖8 3種結(jié)構(gòu)電機(jī)的電樞磁場(chǎng)分布Fig.8 Armature magnetic fields of three motors

3.2.2 功角特性

1)相同頻率下(工頻50 Hz)。

圖9分析了頻率為50 Hz時(shí)3種電機(jī)在不同功角下的輸出轉(zhuǎn)矩、電流有效值及轉(zhuǎn)矩電流比。

由圖9(a)可知，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨著功角的增大而增大。當(dāng)功角約為90°左右時(shí)，3種電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值，分別為：55.38、55.35和53.08 N·m。與傳統(tǒng)DDPMSM和傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM相比，相同頻率(50 Hz)下，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的最大輸出轉(zhuǎn)矩略有降低，分別降低了4.15%和4.10%。

由圖9(b)可得，隨著功角的增大，電機(jī)的電流有效值呈線性遞增。當(dāng)電機(jī)的功角在85°以下時(shí)，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的電流有效值最??；當(dāng)電機(jī)的功角大于85°時(shí)，3種結(jié)構(gòu)電機(jī)的輸出電流基本相等。

由圖9(c)可以看出，當(dāng)電機(jī)在正常工作區(qū)域(20°～60°)運(yùn)行時(shí)，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的轉(zhuǎn)矩電流比為3種電機(jī)中最大，且120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM在功角為30°時(shí)轉(zhuǎn)矩電流比達(dá)到最大，約為4.37 N·m/A。

圖9 3種電機(jī)不同功角下的的輸出轉(zhuǎn)矩、電流有效值及轉(zhuǎn)矩電流比(工頻50 Hz)Fig.9 Output torques, RMS currents and their ratio of the three motors at different electrical degree (frequency=50 Hz)

圖10對(duì)比了相同頻率(50 Hz)下3種電機(jī)的效率和功率因數(shù)。對(duì)比結(jié)果顯示，不同功角下120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的效率有待提高，3種結(jié)構(gòu)電機(jī)的功率因數(shù)近似相等。

圖10 3種電機(jī)不同功角下的效率和功率因數(shù)(工頻50 Hz)Fig.10 Efficiency and power factor of the three motors at different electrical degree (frequency=50 Hz)

2)相同轉(zhuǎn)速下(轉(zhuǎn)速1 500 r/min)。

如圖11所示，為轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)3種電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、電流有效值及轉(zhuǎn)矩電流比的對(duì)比圖。

由圖11(a)可以看出，不同功角下，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的輸出轉(zhuǎn)矩較大。當(dāng)電機(jī)工作在90°時(shí)，3種電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩約為：57.38、55.35和63.66 N·m。與傳統(tǒng)DDPMSM和傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM相比，相同轉(zhuǎn)速(1 500 r/min)下，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的最大輸出轉(zhuǎn)矩分別增加了10.94%和15.01%。由圖11(b)可知，不同功角下，傳統(tǒng)DDPMSM和傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM的電流基本相等；當(dāng)功角小于45°時(shí)，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的電流最小；當(dāng)功角大于45°時(shí)，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的電流略大于傳統(tǒng)電機(jī)電流。圖11(c)表明，當(dāng)電機(jī)在正常工作區(qū)域(20°～50°)運(yùn)行時(shí)，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的轉(zhuǎn)矩電流比明顯較大，最大轉(zhuǎn)矩電流比為4.50 N·m/A。

圖11 3種電機(jī)不同功角下的的輸出轉(zhuǎn)矩、電流有效值及轉(zhuǎn)矩電流比(轉(zhuǎn)速1 500 r/min)Fig.11 Output torques, RMS currents and their ratio of three motors at different electrical degree (speed=1 500 r/min)

圖12對(duì)比了3種電機(jī)在不同功角下的效率和功率因數(shù)。對(duì)比結(jié)果表明，相同轉(zhuǎn)速(1 500 r/min)下，傳統(tǒng)DDPMSM、傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM和120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的效率和功率因數(shù)基本相等。

圖12 3種電機(jī)不同功角下的效率和功率因數(shù)(轉(zhuǎn)速1 500 r/min)Fig.12 Efficiency and power factor of three motors at different electrical degree (speed=1 500 r/min)

3.2.3 性能指標(biāo)

根據(jù)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用需求，在保證3種結(jié)構(gòu)電機(jī)磁通密度相等的情況下，選取電流密度J=5.2 A/mm2時(shí)為電機(jī)的長(zhǎng)時(shí)(連續(xù))運(yùn)行工作點(diǎn)，對(duì)比分析3種電機(jī)的性能指標(biāo)。

1)轉(zhuǎn)矩。

圖13分析了頻率為50 Hz下3種電機(jī)最下運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩。

由圖13(b)可知，直流分量即為各個(gè)電機(jī)的平均輸出轉(zhuǎn)矩。傳統(tǒng)DDPMSM、傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM和120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的平均輸出轉(zhuǎn)矩分別為：14.66、15.03、19.10 N·m。與傳統(tǒng)DDPMSM和傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM相比，最佳運(yùn)行狀態(tài)下120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的輸出轉(zhuǎn)矩分別提高了30.29%和27.08%。由于3種結(jié)構(gòu)電機(jī)所用永磁體總量相等，因此120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM提高了永磁體利用率。此外，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的體積約為傳統(tǒng)電機(jī)體積的80%，因此120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM具有轉(zhuǎn)矩密度大的優(yōu)勢(shì)。

圖13 3種電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩分析(工頻50 Hz)Fig.13 Analysis of output torque for three motors(frequency=50 Hz)

2)損耗。

電機(jī)損耗通常包括轉(zhuǎn)子損耗和定子損耗。然而，轉(zhuǎn)子上永磁體的電導(dǎo)率只有1.8×10-6，使得電機(jī)的渦流損耗非常小。由仿真軟件可得，傳統(tǒng)DDPMSM、傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM和120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的轉(zhuǎn)子鐵心損耗分別為：0.211、0.333、0.407 W。與電機(jī)中的定子損耗相比，轉(zhuǎn)子損耗幾乎為0，可以忽略不計(jì)。因此，圖14僅對(duì)比了工頻供電時(shí)3種電機(jī)最佳運(yùn)行狀態(tài)下的定子損耗。

圖14 3種電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的定子損耗(工頻50 Hz)Fig.14 Stator losses of three motors at rated operation(frequency=50 Hz)

由圖14可知，傳統(tǒng)DDPMSM、傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM和120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM中總的定子損耗分別為：205.750、205.36、201.55 W。其中，銅耗分別為：147.91、148.06、158.65 W。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的定子銅耗分別增大了7.26%和7.15%。由于定子銅耗與電機(jī)的散熱和溫升有關(guān)，而3種結(jié)構(gòu)電機(jī)的銅耗相差不大，因此電機(jī)由于銅耗所產(chǎn)生的溫升也基本相等。

綜上所述，3種電機(jī)在相同頻率(50 Hz)運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)如表5所示。

表5 3種電機(jī)在相同頻率下運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)Table 5 Performances of three motors operating at the same frequency

由表5可知，與傳統(tǒng)DDPMSM和傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM相比，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM具有體積小、永磁體利用率高、速度低、轉(zhuǎn)矩密度大、力矩常數(shù)高等優(yōu)勢(shì)。

為了進(jìn)一步對(duì)比3種電機(jī)的性能指標(biāo)，使120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM工作在1 500 r/min的狀態(tài)，分析電機(jī)運(yùn)行最佳時(shí)電機(jī)的性能參數(shù)，并與同轉(zhuǎn)速下的傳統(tǒng)DDPMSM和傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM進(jìn)行對(duì)比。

當(dāng)3種電機(jī)在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min下運(yùn)行時(shí)，傳統(tǒng)DDPMSM、傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM和120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的輸出轉(zhuǎn)矩如圖15所示。圖15(a)描述了3種結(jié)構(gòu)電機(jī)最佳運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩波形，圖15(b)對(duì)比了輸出轉(zhuǎn)矩的頻譜分析結(jié)果。由15(b)可知，傳統(tǒng)DDPMSM、傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM和120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的輸出轉(zhuǎn)矩分別為：14.66、15.04和19.60 N·m。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，在轉(zhuǎn)速為1 500 r/min下，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM最佳運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩分別增大了33.70%和30.32%。

圖15 3種電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩分析(轉(zhuǎn)速1 500 r/min)Fig.15 Analysis of rated output torque for three motors(speed=1 500 r/min)

綜上所述，3種電機(jī)在相同轉(zhuǎn)速(1 500 r/min)下運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)如表6所示。由表6可知，與傳統(tǒng)DDPMSM和傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM相比，在相同轉(zhuǎn)速(1 500 r/min)下，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM具有體積小、速度低、轉(zhuǎn)矩密度大、力矩常數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。

表6 3種電機(jī)在相同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)Table 6 Performances of three motors operating at the same speed

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為證明上述分析的正確性，基于表4中的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM樣機(jī)，搭建了樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)，分析了不同工況下樣機(jī)的性能并與有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

4.1 樣機(jī)制造

圖16描述了120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的樣機(jī)裝配圖。圖中包含樣機(jī)的底座、定子、轉(zhuǎn)子及其整體結(jié)構(gòu)。樣機(jī)底座與定子之間通過上壓環(huán)進(jìn)行連接，底座上的軸及軸承壓蓋用來固定轉(zhuǎn)子位置。

圖16 120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM樣機(jī)裝配圖Fig.16 Prototype assembly of the DDPMSM with 120° phase belts toroidal windings

圖16(b)為樣機(jī)的定子及其繞組結(jié)構(gòu)。由圖16(b)可知，與傳統(tǒng)電機(jī)不同，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM樣機(jī)定子內(nèi)部線圈直接裸露在空氣中。因此，該電機(jī)可以應(yīng)用于潛水泵中，將電機(jī)直接浸入液體中，通過液體與背部繞組的直接接觸，可以更有效地帶走繞組銅耗所產(chǎn)生的溫升，從而提高電機(jī)的散熱性能。圖16(d)為樣機(jī)的裝配體。由圖16(d)可以看出，電機(jī)安裝有輸出軸，以便實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)量輸出轉(zhuǎn)矩。此外，電機(jī)繞組線圈分為4組，分別從底座上的孔中引出，便于改變繞組連接方式。

4.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖17描述了樣機(jī)的測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試儀器。120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的定子繞組通入對(duì)稱的三相交流電，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過WLKB控制器控制磁粉制動(dòng)器的加載電流來控制輸出負(fù)載轉(zhuǎn)矩，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。采用轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x測(cè)得電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，在上位機(jī)獲得旋轉(zhuǎn)速度和輸出轉(zhuǎn)矩的數(shù)值。電機(jī)繞組線圈的電流通過橫河DL7480數(shù)字示波器進(jìn)行測(cè)量。

圖17 樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試儀器Fig.17 Test platform and instrument of prototype

4.3 負(fù)載實(shí)驗(yàn)

如圖18所示，為工頻供電時(shí)電機(jī)不同工況下的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率。

圖18 實(shí)驗(yàn)和有限元中不同工況下的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率Fig.18 Output torque and output power by test and finite element on different conditions

由圖18可知，實(shí)驗(yàn)與有限元結(jié)果具有很好的一致性；此外，隨著電流的增大，電機(jī)的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩呈線性增加。當(dāng)I/IN=1時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為750 r/min，輸出轉(zhuǎn)矩為18.88 N·m，輸出功率為1.46 kW。與有限元仿真結(jié)果相比，輸出轉(zhuǎn)矩降低了1.15%，輸出功率減小了2.67%。在現(xiàn)有的設(shè)備和平臺(tái)的條件下，誤差在可控范圍之內(nèi)。

5 結(jié) 論

基于相同電負(fù)荷和磁負(fù)荷及等永磁體用量下，建立傳統(tǒng)DDPMSM、傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM和120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的有限元模型，分析3種結(jié)構(gòu)電機(jī)的空載特性和負(fù)載特性，并制造一臺(tái)120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM樣機(jī)，測(cè)試不同工況下樣機(jī)的性能參數(shù)，與有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)研究結(jié)果可得以下結(jié)論：

1)與傳統(tǒng)DDPMSM和傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM相比，在相同頻率(50 Hz)下，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM空載氣隙磁通密度的基波幅值分別增加了4.51%、4.62%；在相同頻率或相同轉(zhuǎn)速(1 500 r/min)下，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM空載反電勢(shì)波形中總的諧波畸變率最小，反電勢(shì)波形的正弦性更好。

2)與傳統(tǒng)DDPMSM和傳統(tǒng)環(huán)形繞組DDPMSM相比，120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM具有體積小、轉(zhuǎn)矩密度高、轉(zhuǎn)矩常數(shù)大等優(yōu)勢(shì)。

3)與有限元結(jié)果相比，樣機(jī)在工頻50 Hz下運(yùn)行時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩降低了1.15%，輸出功率減少了2.67%。實(shí)驗(yàn)與有限元結(jié)果的誤差均在5%以內(nèi)，在工程誤差允許范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了120°相帶環(huán)形繞組DDPMSM的合理性和有限元結(jié)果的可靠性。