（电机与电器专业论文）永磁屏蔽横向磁场开关磁阻电动机研究.pdf

a b s t r a c t i n r e c e n t l yd e c a d e w i t ht h ed e v e l o p m e n t o f p o w e re l e c t r o n i c sa n d 砩i c r o c o m p 娃t e r ，a l o n gw i t ha p p l i c a t i o no fr a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e t ， v a t i o u sk i n d so fn e w ys t r u c t u r em o t o ra p p e a r a m o n gt h e m ，t r a n s v e r s ef l u x m o t o r ( t f m ) i ss u p e r i o rt oo t h e r si nt e r m so ft o r q u ea n dp o w e rd e n s i t y f u r t h e r m o r e ，t h ed e s i g na n ds e l e c t i o no ft f ma r ev e r yf l e x i b l e s of a r ， m a n yd i f f e r e n tt o p o l o g i e sa b o u tt f n ih a v ea p p e a r e d t f mc a np r o d u c eh i g h t o r q u e a n d p o w e r a tl o w s p e e d ：a n o t h e r c h a r a c t e r i s t i ci si t s g o o d f a u l t - t o l e r a n c e ，w h i c hm a k et f mg e tb r i l l i a n to u t l o o ki nl o ws p e e dh i g h t o r q u ed i r e c td r i v es y s t e m 羊酬i san e w l yi d e aw h i c hb r e 8 建七h r o u 曲m a n y t r a d i t i a n a l1 i m i t si nm o t o rd e s i g na n dr e s e a r c hs of a rh a v ei n d i c a t e di t s s p l e n d i d f u t u r e a st h e r es t i l lr e m a i nm a n ya s p e c t st os t u d y ，i ti s n e c e s s a r yt or e s e a r c h t h ep a p e rp r o c e e d sr e s e a r c hb a s e do nt h i sb a c k g r o u n d o n ek i n do ft h e t f m si ss e l e c t e da sr e s e a r c ho b j e c t ：t r a n s v e r s ef l u xs w i t c h e dr e t u c t a n c e m o t o r ( t f s r m ) i t p r e s e n t st o r q u e r i s i n gs t r a t e g yb yp e r m a n e n tm a g n e ts h i e l d i n g f 1 u x 1 e a k a g e ，t w op r o t o t y p em o t o r sw i t ho u t e rr o t o ra r ed e s i g n e d t h ew h o l es e tm e c h a n i c a l d r a w i n g sa r ea c c o m p l i s h e d 。i tp o i n t s o u t d i f f i c u l t i e sd u r i n gm a n u f a c t u r ea n ds o l v e st h e m t h e3 - d i m e n s i o ne i e e t r o 蕊a g n e t i ef i e l d ，o ft w op r o t o t y p em o t o r sa r e r e s e a r c h e d i te m p h a s i z e se f f e c to fp ms h i e l d e d + t h ec o n c l u s i o ns h o w st h e t o r q u ec a ni n c r e a s ea b o u t1 0 0p e r c e n t ， t h ec o n v e r t e ri sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d 。s y s t e ms i m u l a t i o na r e c a f f i e do u t t h e nd s pc o n t r o l l e ri si n t r o d u c e d t h ep r o t o t y p em o t o ra n dc o n v e r t e ra r eu s e dt oc o n s t r u c te x p e r i m e r i t d 1 a t f o r m t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r ee s s e n t i a li d e n t i c a iw i t ht h e o r y k e y w o r d s ：t r a n s v e r s ef l u xp e r m a n e n tm a g n e ts h i e l d s r m 上海大学硕士学位论文 1 1 课题意义 第一章绪论 近十几年来，随着电力电子技术的发展、方波电机理论的深入研究和稀土 永磁材料的应用，诞生出许多新型结构的特殊电机，电动车的兴起又进一步促进 了高功率密度驱动电机的开发，西欧、北美和日本等工业先进国家将新型电机的 研究丌发作为一个新热点。在各种新型特种电机中，横向磁场电机( t f m ) 由于 其在转矩与功率密度方面具有得天独厚的优越性，以及灵活的结构设计，多样化 的拓扑结构已经引起许多国家的极大兴趣。 t f m 的特点可以用低速大功率、容错性好来概括，能直接驱动低转速、大 转矩负载，在船舶螺旋桨直接驱动、武器装备转台的电动伺服系统、风力发电、 电动车电机等方面有广阔的应用空间。 船舶螺旋桨直接驱动最能充分体现t f m 的优点，通常一艘万吨级船舶满载 时螺旋桨转速在9 0 1 2 0 r p m 之间，现行船舶绝大多数依靠轮机燃烧重油获得动 力来推动螺旋桨，由于重油必须加热到1 5 0 以上爿晴自流动，还要经过过滤等j 系列化学工艺处理，全套供油系统不但工艺复杂环节众多，所需各种功率的电动 机多达上百台，而且要求在高温、高盐度、高潮湿性的恶劣环境条件下连续工作。 此外，由数百台电动机构成一个庞大的用于给轮机配套的辅机系统，而大型船舶 的轮机一般有五个以上的气缸，每个气缸的直径在一米以上，规格巨大的轮机与 庞大的辅机系统一起成为船舶噪声的主要来源。 欧美一些国家已经研究出大功率的横向磁场电机用于船舶驱动，其中，英 国正在研制2 0 m w 的横向磁场电动机用于潜艇直接推动并制造了3 m w 样机。电机 直接驱动不仅系统简单占空阳j 少，而且性能更可靠，噪音小，尤其适用于军用舰 艇。从长远来看船舶电力驱动必将取代现今的轮机驱动方式。 除实际应用之外，t f m 的出现提出了一种全新的理念，突破了传统电机的 设计思想，丌辟了一个全新的领域。从已有的结论来看，横向磁场电机已显示了 较好的前景，同时还有许多领域有待探索。所以，无论从学术或实际应用的角度 对横向磁场电机进行研究都有很大意义。 销l 上海大学硕士学位论文 1 2t f m 结构特点与基本原理 通常，t f m 分成三大类：表面式、聚磁式、开关磁阻式。 1 2 1 表面式 表谢式t f m 的结褐如图1 ，定子极怒由u 形冲片叠装而成，每个极由两个齿 极和一个轭部组成，一组定予极淤圆周排列。极雌等距，根邻极中心线之间相差 两个极蹬。电杭绕组为环形集中线圈，嵌放在定予极的凹槽中，磁钢贴装在转子 表露，极性依次交蘩。魄壤绕缠 通某方向电流时，所产生的磁通 逶遗定予铁心、磁钢、转子铁心 彤成闭合回路，与磁钢产生的磁 邋稻互俸璃驱傻转子穆动。当定 予极中心线与磁钢中心线对齐 时，对应电枢电流改变方向时刻， 隧着电流方向的不断改变，转子就会连续旋转。銎l 表面式t f m 表瓤式t f m 可设计成内转予或外转子形式，当气隙直径相嗣时，两者的性 能没有本质区鼷。为了嵌敖电抠绕缀戆方便，逶嚣垮电掇设诗戏磬转子形式，在 同样体积时，外转子电机气隙直径大于内转子电机，而且转动惯髓较小，便于实 戮快速瞧与毫跨发戆控澍。 表嘲式t f m 具有单相自成系统的特性，为使电机能自行起动与获得更好的 靛麓，电视逶鬻设计成两裙或三稠，稻数过多稳增热功率交换器豹开关管数目。 对外转子- + n 电机的定子来晚( 图2 ) ，每相2 p 个定予极，定子极嵌放在支架凹 槽中，凹糟间兴角为臼：丝，相与相之问在轴向相隔一定距离以保证相m 解耦， 2 p 三相定子极在周向无相角涟。 ， 转予三掇瞧枧款转子( 裁3 ) 每朗由瑟缝露竭妻罄裂懿戳镪缨残，当安装 好一相之后，移动下一相的磁钢使之与上一相相麓1 2 0 。电角度。也可以将定子 搬移动霞之与土一稳定予掇程差1 2 0 。电惫凄露令三籀转予辍在潮向无稳角差， 上海大学硕士学位论文 两者在原理上没有本质不同，取决于工艺上哪种方式更方便。 图2 表面式t f m 定子 1 2 2 聚磁式 图3 表面式t f m 转子 聚磁式t f m 的结构如图4 ，磁钢安装在转子上，磁钢极性方向为切向，相邻 两个磁钢相对面的极性相同，磁通从两个磁钢的 两个相对面同时穿出或进入。定子极为u 形冲片 叠装而成，由于通过定子一个极的磁通总是由相 邻的两个磁钢提供，所以气隙的磁密更高，相对 与其它结构的t f m 。聚磁式t f m 的力密度最大。 聚磁式t f m 一般做成双气隙结构，以进一步提高 转矩，上下两个相邻的定子极在周向错开一个转 子极距。 图4 聚磁式t f m 图4 对应转矩最大时刻，当定子极中心线与磁钢阳】中心线对齐时，电枢绕 组通电，当定子极中心线与下一对磁钢间中心线对齐时，绕组通以反方向电流。 所以一相绕组最多可以通电1 8 0 。电角度，之后再通反方向电流1 8 0 。电角度。 1 2 3 开关磁阻式 根据磁通总是力图沿着磁导最大的路径闭合的原理，因此s r m 的结构没计 原则是转予旋转时磁导要有尽可能大的变化。当定子极中心线和转子极中心线对 籀3 负 上海大学硕士学位论文 齐时，磁导最大，磁通也最多；当定子槽中心线和转子极中心线对齐时，磁导最 小，磁通也最少。 丌关磁阻电机结构简单牢固，转子不需要散热，能在极高的转速下运行。 依靠电枢电流产生主磁场，由于没有永久磁铁，成本相对较低。但与同体积的其 它种类电机相比，存在转矩密度低、转矩脉动与噪声较大的不足。虽然增加极数 在可以很大程度上解决以上问题，但为了给绕组留出足够的空间，s r m 的极数增 加幅度有限。开关磁阻式t f m 的磁路与电路解耦，其特殊的磁路结构允许每相设 计成更多的极数，从而极大地提高了电机的力密度。 丌关磁阻式t f m 的基本结构见图5 ，其定子铁一l 3 由凹字形冲片叠压成一个个 极，若干个定子极沿圆周3 6 0 。排列，极阳j 等距，每个极由两个齿极与个齿轭 构成，相邻两个极中心线之间距离为 3 6 0 。电角度。每相一个电枢绕组，为 环形集中线圈形式嵌放在定子铁心的 凹槽中。转子铁心由矩形冲片叠压成一 个个极，若干个转子极沿圆周排列，转 予极数与定子极数相同。一组周向排列 的定子极与一组周向排列的转子极以 及一个环形集中线圈构成一相。图5 开关磁阻式t f m 当环形绕组有电流时，将产生电磁转矩驱使转子向磁导最大位置转动，然 后停在定转子齿极中心对齐的位置，为使电机连续旋转，开关磁阻式t f m 一般为 三相，每相定子极周向错开1 2 0 。电角度同时转子极在周向无相角差，或者每相 转子极周向错丌1 2 0 。电角度而定子极在周向无相角差。 与通常的s r m 一样，开关磁阻式t f m 的转矩与电枢电流方向无关，电机的 正反转取决于通电相序。 丌关磁阻式t f m 相与相之间不存在空间安放的矛盾关系，这就能使电机相 数的选择更加灵活。当考虑转矩性能指标时，可以将相数设计得比较多，既能提 高力密度又能进一步降低转矩脉动，但所需开关管相应增多，功率变换器的成本 将加大，一般来说多选择三相或四相。 上海大学硕士学位论文 综上所述，以上三种结构的t f m 有如下共同特点： 1 ) 磁路有轴向、径向和周向。 2 ) 具有较高的力矩与功率密度。 3 ) 特殊的几何结构使得电机的设计更加灵活，极数和相数的选择受限制性 小。在传统的电动机中，电负荷与磁负荷的所占空间墩决于气隙直径的 大小，两者往往是一对矛盾关系。而在t f m 中，磁负荷所占空阳_ 】取决于 气隙直径的大小，电负荷所占空间的大小取决于电动机的轴向长度，两 者相互独立，这为设计高功率密度电机提供了优越条件。 4 ) 许多设计参数彼此相互独立，如电枢电流与磁路解耦，参数选择的自由 度大。 5 ) 绕组没有端部，无端部损耗，电机的结构更紧凑。 6 ) 漏磁较大，功率因数较低。 1 , 2 4t f m 发展概况与研究现状 1 ) 1 9 8 6 年，德国w e h 教授设计了第一台横向磁场电动机，被认为是横向磁 场电机的开端。 2 ) 近几年，世界各国对t f m 的研究逐渐重视起来，t f m 正在成为电机设讨 的一个热点，产生了多种拓扑结构，产品主要应用在舰艇推动、风力发 电、电动车电机等方面，显示了强大的生命力。 3 ) 国内对横向磁场电机的研究还刚刚起步，发表的文章也较少。 1 3 本文后续各章内容 本文对丌关磁阻式t f m 进行了研究，设计制造了外转子式横向磁场开关磁 阻电动机( t f s r m ) 样机，对样机的三维磁场进行了分析计算；提出了通过永久 磁钢屏蔽漏磁通能提高电机转矩的新构想，为验证该理论制造了两台相同结构的 样机进行比较( 一台装有磁钢，一台不装磁钢) ；设计了样机功率变换器，采用 a n a l o gd e v i c e 公司的a d m c 3 2 8 型d s p 作控制器，最后对两台样机进行了实验。 第5 矶 上海大学硕士学位论文 第二章t f s r m 样机结构设计 对两台样机的总体结构和基本参数进行了说明，指出样机结构设计中遇到 的困难以及解决方法。对电机关键部件包括定子铁心、转子铁心、电枢绕组、位 置传感器、电机轴的设计与安装定位方式进行了阐述。对外转子这种结构所涉及 到的特殊问题提出了解决方案。本文还对位置传感器的设计给予了充分重视。 第三章t f s r m 样机磁场分析 本章利用3 d f e 软件对t r s r m 的三维气隙磁场进行了详细的计算，重点分析 了屏蔽磁钢使转矩提高的效果与原因，对两台样机( 即无屏蔽磁钢与有屏蔽磁钢 t f s r m ) 的矩角特性进行了比较，得出结论：经磁钢屏蔽漏磁通之后，转矩将在 同样电流情况下提高近1 0 0o 6 0 。介绍了磁场计算时求解区域的选取，计算了不同 电流时绕组相电感在o 1 8 0 。电角度内的变化曲线，分别对应轻载、额定负载 与重载，而无屏蔽t f s r m 的矩角特性表明该种形式的s r m 在1 2 0 。电角度内的转 矩是比较平滑的。对有屏蔽t f s r m ，从绕组匝链总磁通角度，根据机电能量转换 原理，分析了磁通随转子位置角的变化规律，有屏蔽t f s r m 的磁通变化更加明显， 其最小磁通较无屏蔽时更小，最大磁通较无屏蔽时更大，即转子发生位移时，有 屏蔽t f s r m 的耦合场释放出更多的磁能转化为机械能，同时从电源吸收同等的电 能进行补充。对样机独特的自定位转矩进彳亍了分析：进一步对磁钢尺寸的选择进 行了理沦分析，选定了磁钢的最优尺寸。同时绘制了求解区域内t f s r m 气隙磁密 的三维分布图以及沿周向的分布图。 第四章t f s r m 样机控制系统设计 对样机控制系统的组成部分分别进行了阐述。选择了两种功率变换器作为 样机实验方案，进行了比较并结合样机最终选取其中一种，采用了功率管门极直 接驱动策略，用二极管将功率管直接短接，为功率管增加吸收回路进行保护，对 系统进行了仿真；阐述了样机电流实时检测与电流限幅的实现方法以及位置检测 的实现方式；介绍了d s p 控制器的工作原理与在样机实验中的应用，最后给出了 两种方案的程序框图。 第6 负 上海大学硕士学俄论文 第五章t f s r m 样机实验研究 在莳四章蛉基础上揆建了实验平金黪对两套撵机进行了一系列实骏，包括 静态与动念两部分，从矩角特性、调节特性、机械特性三方面，检验了三维场计 葵验糖确瞧以及永久磁镪羼薮瀵磁遗蜃恕规转熊提毫熊实际效暴。实验说明群掇 的设计是成功的，系统可以f 常运转，课题所用的三维场软件3 d f e 有足够的精 确缝，磁铜屏蔽熬效果显著。 第六章总结与麓望 絷7 受 上海大学硕士学位论文 第二章t f s r m 样机结构设计 样机为自行设计的外转予式永磁屏蔽横向磁场开关磁阻电动机( 以下简称 t f s r m ) ，出于磁钢羼菠豹效榘蹩本文聂再究约霪点，所鞋裁遥了嚣惫络襁襁目的樽 瓿避行魄较，其中一台束装磁钢，男一台装有永久磁铜翅柬屡蔽漏磁邋。 本章介绍了t f s r m 样机的总体结构以及关键环节的设计。 2 。 总钵设计 t f s r m 样机每鞠强个齿搬，定子铁心电u 彤冲片叠装丽戏，转予冲片出矩形 跨片爨装藤戏，镣耱龟蘸绕缝凳一令巧形袋审绕缓，嵌敬在定子铁心瓣搂中。转 子铁心安装在外转予筒的内侧，定子铁心安放在托架上，在电机轴上开孔将三相 电枢绕组引出，俄鼹传感器包括三个光电二极管和一个齿槽结构的光电盘，光电 二级管霾定雀定予上，先魄爨隧转子一霜旋转，固安装在魄极羚都叛矮子实验孛 调节。在来安装位嚣传感嚣静- - n 设计了转矩傣动部件，在其凸出部分的中心设 计赢柽1 4 m m 的带键槽传动辅安装孔，样机先成后与负载阿轴连接。磁钢贴装在 寇转孑铁心靠透气稼豹铡嚣，掇馁为凌蠢。黧2 1 与銎2 2 势套瓣羧磁镶释辊懿 立体示意图和总图，无屏蔽磁钢样机的结构相同，没有贴装磁钢。 黧2 。1 撵蔽一禊立傣示意圈 簿8 艇 上海大学硕士学位论文 图2 2 样机总体结构 1 一转子磁钢2 一定子磁钢3 一电枢绕组4 一转子铁心5 一定子铁心 6 一光电二极管7 一光电盘8 一转矩传动部件 出图2 1 可见，定转子齿极数相等且每个齿极的叠装厚度相同，定转子的极 弧系数均为0 5 ，即在气隙面上，定转子齿极的叠装厚度与齿极间距离相等。 应该注意以下几点： 1 ) 铁心冲片为切向叠装而不是轴向叠装。 2 ) 所有的磁钢贴装后，极陛方向为切向。 3 ) 定转子左右齿极( 图2 2 ) 两侧的磁钢极性方向相反，定子左齿极磁 钢极性背向铁心，转子左齿极磁钢极性指向铁心( 图2 3 a ) ：定子 右齿极磁钢极性指向铁心，转子右齿极磁钢极性背向铁心( 图 2 3 b ) 。 图2 3 a 左齿极磁钢极性方向 图2 3 b 右齿极磁钢极性方向 第9 上海大学硕士学位论文 4 ) 绕组只能通阐定方向的电流以保持铁心中磁通方向不变，而且漏磁 通的方向总怒跟磁铡极性相反，这榉磁钢才能起到瓣菠漏磁通的作 用。磁钢一旦安装极性就已湖定，在磁钢极性如图2 3 所示的情况 下，绕组电浚酝产生鲍主磁邂应使袁凌投主獭逶始终肉上，左巷投 主磁通方向始终向下。当绕缎电流为流出纸丽时，主磁路如图2 4 。 图2 。4 主磁通磁路 为使电机连续旋转，样机为3 褶，圈2 5 将备相定予的六个齿极展_ 开图，用 以表示相与相之渊周向角度的差别，图2 。6 为备粗转子鲍六个爨极的展开平嚣 图。 口口口口口口 口口口口口口 口口口口口口 图2 5 三相定子展丌图图2 。6 三相转子展丌图 口口口口口口口口口口口口口口口口口口 上海大学硕士学位论文 2 2 结构设计 电机关键部件主要包括定子铁心、转子铁心、电枢绕组、位凝传感器、电机 辘。蓄先考虑定转子铁心羚片黢尼餐尺寸驻及铁，0 懿叠装方式，横握工艺的要求 以及气隙的大小爿乏设计三相铁心的安装定位；由于外转子的特殊结构，要考虑电 馥绕缓豹孳| 鑫方式，豫了绕缝线藏躲选择舞，还涉及到l 鬯租毒蠢静设计：位霉传感 器的安装精度直接影响到控制精度的高低；最后怒转矩传动部分。 2 2 。1定子设计 2 2 1 1 定子冲片设计 定予冲片为鞠字形洚片，韬肉叠装，孺螟栓强定形成铁心，掰形成豹铁心 心槽用于放置环肜电枢绕组。齿极的宽度不受凹槽宽度的影响，将冲片轴向长度 增加，僳掩齿极宽度不变，篮稽截面积增加能敖髯更多匝数的线圈，窀负荷仅仅 取决于电机的轴向长度，磁负荷的大小取决于冲片径向长发即气隙半径，骶者完 全解耦，这种全新的电机理念不仪仅带来电机机械结构设计上的灵活，而且电负 麟鼗大蝠度增宓珏，从原璞上镬更麓功率密度电援救产生成为可能。 图2 7 定子冲片及其叠装图 1 ) 褥鞠1 6 个齿极，遗极凌慰躅上均匀分织，盏擞极弧系数为0 。5 。鞋戴 为依据确定电机定子外径d ，每个齿极的径向叠凝厚度为1 2 m m ，对应的 电角艘为1 8 0 。即机械角度等 = 1 1 2 5 4 ， 则定子外径 d ：! 至：! ：! ! ：1 2 2 _ 3 崩掰。 豁l 爱 上海大学硕士学位论文 2 ) 在周向三相定子依次错开1 2 0 。电角度( 7 5 。机械角度) ，相与相之间 轴向隔丌一段距离使相间解耦。定子铁心固定在内定子托架上，在内定 子托架上制作三个定位螺孑l ，三个定位螺孔在轴向相隔合适的距离使定 子铁心安装后彼此相隔一定距离：三个定位螺孔在切向按顺时针依次错 丌7 5 。机械角度保证三相定子相互错丌1 2 0 。电角度。图2 8 为定位 螺孔的俯视图。 2 2 2 转子设计 轴向 图2 8 三相定子定位螺孔俯视图 2 2 2 1 转子冲片设计 转子冲片为矩形冲片，切向叠装，出螺栓联结形成铁心。转子铁心结构见图 2 、9 。 图2 9 转子冲片及其叠装图 2 2 2 2 转子铁心定位与固定 转子铁心的固定有两个特点： 1 ) 外转子。 第12m 上海大学硕士学位论文 2 ) 三相转子铁心在周向无相角差。 转子铁心安装在外转子筒的内侧，在外转子筒上开穿透孔，每个转子铁心对 应一个定位孔，三相总共4 8 个，每相1 6 个定位孑l 在圆周上等距，三相对应定位 孔在周向无相角差。同时在每个转子铁心与外转子筒接触面上钻一个螺纹孔，将 螺栓从转子筒外部穿入与铁心上的螺纹孑l 对接完成安装。 转子定位孑l 的俯视图与侧视图见图2 1 0 a 、b 。 r 矿飞 怠名 光岫定位 湛 猕 g 鉴拶 f 7 一， 群 夕 图2 i 0 a 转子定位螺孔俯视图 图2 1 0 b 转子定位螺孑l 侧视图 2 2 3 位置传感器设计 位置传感器出三个光电二极管和一个光电盘组成，将光电二极管固定，光电 盘与外转子同轴转动。位置传感器的精度取决于器件加工精度与安装精度，为了 在实验中便于调节，将位置传感器安装在电机的外部。 位置传感器与定转子铁心的对应关系见图2 11 。 第13 负 上海大学硕士学位论文 转予齿极 定子齿极 部制。炒 光电撒槽 图2 1 l光电二极管、光电盘、定转子铁心对应关系 2 2 4 绕组设计 外转子电机的电枢绕组引出是比较困难的，不象内转子电机那样方便。通常 可行的方法是从电机轴中开孔引出绕组，这势必增大轴的尺寸，同时也限制了绕 组线径不可能选得太大。对样机而言各相独立，相互间不存在连接关系，当选择 全桥式驱动线路时，应该引出全部六个绕组接线端，当选择半桥式驱动线路时， 可将三相绕组的一端在电机内共接，而只引出四根绕组接线端。本文选择将三相 六个绕组的接线端全部引出( 图2 1 2 ) 。 2 2 5 转矩传动 图2 1 2 绕组引出示意图 电机与负载同轴联结，所以样机的转动部件即外转子筒做了特殊处理。在未 安装位置传感器的一侧，外转子筒端部凸起结构( 图2 1 3 ) 的中心设计了负载 轴安装孔与电机轴同心，伸入安装孔一侧的端部与电机轴端部有一间隙以使电 第1 4m 上海大学硕士学能论文 机的转动部件与静止部件不发生接触。 负载 图2 1 3 转矩传动示意图 第i s 斑 上海大学硕士学位论文 2 3 样机参数 表2 ，1 给出了样机的性能及结构参数。 表2 1 电机结构参数 第1 6 负 上海大学硕士学位论文 第三章t f s r m 样机磁场分析 目前关于t f m 理论分析研究很多还是用磁路法或将局部气隙等效成二维场 进行简化分辑。稻t f m 的磁路龟括径自与轴向( 棱彝) ，与传统的径自磁场电机 有本质上的不同，用二维场方法分析有其局限性，本文采用3 d f e 软件，用三维 等效磁网络的方滚将求解区域分解成若干个矩形，用标爨磁位的方法求解( 原理 见参考文献l 】。 3 1 求熊区域 因为每相定予与转予分别旁1 6 个齿极，结构相同，1 6 对定转子齿极的对应 佼簧关系也相同，一对定转子齿极的性能参数与一相的性能参数之问只是差了一 个倍数，这个倍数就是一楣定予憨齿极数。为尽可能增加求解区域割分鼹格数， 要求所选的电机实际求解区域尽可能小。所以最终的求解区域为一对定转子齿极 羁鼙梭成。 考虑列样机结构的对称性以及切向挞周期条件，求解区域取3 6 0 。电角度， 绕组内逶叛潼定骥篷戆直流逄。蔽0 1 8 0 9 电角液范罄海诗箕了1 3 令不耀转子 位簧角时的电机特性，分别为o 。、1 5 。、3 0 。、4 5 。、6 0 。、7 5 。、9 0 。、 1 0 54 、1 2 0 。、1 3 5 。、1 5 0 6 、1 6 5 。、1 8 0 。电角度，将戳上各角度的计算值逆 次取负值得到1 8 0 。3 6 0 。内的棚关值。 求解的精度取决予剖分网稽数，3 d f e 软件采用柱面嫩标。x 代表电机轴向， y 代表电机切向即旋转方向，z 代表电机径向。 网格剖分得越细，精度越高，计算所需的时间越长，本文中剖分的大致原 则是保证每个剖分蕈元的最大边妖不超过j m m ，菸体裁分数撰为：在辘怒共】2 块，切向熬2 4 块，径向菸2 8 块，总共8 0 6 4 块剖分单元，其中切向为等距剖分， 霉建淘与径翔为甭等距裁分，0 6 r a m 气蒎在经向等鼷裁分为3 块。 转子位置角一1 8 0 。时如图3 。l 所示，将剖分数据与铁心、磁钢的数据送入， 经3 i ) f e 计算将褥到该位置下静力舄气獠磁密，之后，令转予在径向上移动一个 网格得到一个新的位置角，重新送入数据谶行计算可得到一组新的数据。切向剖 分的细，转子移动的步距角就越小，计算的精度越高。 第j 7 斑 上海大学硕士学位论文 图3 1 求解区域 3 2 无屏蔽t f s r m 样机磁场分析 本节研究了样机气隙磁场随转子移动的变化规律，给出了转子位置角为 o 。、3 0 。、6 0 。、9 0 。、1 2 0 。、1 5 0 4 、1 8 0 。电角度时气隙磁密的分布。无屏 蔽样机在电流为i o a 时的气隙磁场分布( 图3 2 图3 8 ) ，其中横坐标x 代表电 机轴向，纵坐标y 代表电机气隙切向，b 代表气隙磁密。 3 2 1 样机气隙磁场分布 在每个转予位置角下给出了两幅图，首先是3 6 0 。电角度内的三维分布图 ( 如图3 2 1 ) ，其次是气隙磁密沿y 向的分布( 如图3 2 2 ) ，切向两侧为整周 期边界条件。以定转子右齿极为求解区域，当有电枢电流时，主磁通方向向上， 即从定子齿极指向转子齿极。 图3 2 1 气隙磁密三维图 图3 2 2 气隙磁密沿y 轴分布 第1 8 负 上海大学硕士学位论文 图3 3 1 气隙磁密三维图图3 3 2 气隙磁密沿y 轴分布 图3 4 1 气隙磁密三维图图3 4 2 气隙磁密沿y 轴分布 图3 5 1 气隙磁密三维图图3 5 2 气隙磁密沿y 轴分布 第l9 页 上海大学硕士学位论文 图3 6 1 气隙磁密三维图图3 6 2 气隙磁密沿y 轴分布 图3 7 1 气隙磁密三维图图3 7 2 气鼹磁密沿y 辘分布 图3 8 1 气隙磁密三维图图3 8 2 气隙磁密沿y 轴分稚 第2 0 炎 上海大学硕士学位论文 3 2 2 相电感 在线性模型中，当电流一定时，转矩与电感变化率成正比，所以研究相电感 的变化能礅观地了解转矩的特1 生以及额定值的选取是否恰当。电感变化率大是开 关磁阻电机设计掰追求的嚣标，说髓在同样大小的电褪电流对，电枫能产生更大 的转矩。实际应用孛，电帆处于高度菲线牲，虽然在3 d f e 翁计算中假设电枢奄 流是恒定不变的，但由于磁路饱和的影响，电感并不是转子位置角的线性函数。 当定转予齿极没有重合面时，电感最小，磁路不饱和，随着重合面的增加，电感 上升，同时磁路豹饱和度逐渐力疆大，当定转子齿极完全重合对，磁路的饱和度达 至i 最大，在电枢电流不变时，电感的交讫率随定转子齿裰重合面的增加而下降。 样机相电感变化率随定转予齿极重合面积的增加而降低，电耘电流越大，饱 和度越大，电感变化率下降的越快。图3 9 给出了电流为5 a 、1 0 a 、1 5 a 时样机 相电感在o 1 8 0 。电角度内的变化曲线。 l o d2 od l 4o t do i ad l2 口口1 0 口o - oo 口 e0 # 3 2 。3 矩角特性 图3 9 无屏蔽样机相电感 5a 1oa 15a 3 d f e 软件能直接计算出径向任何一个截面的麦党斯韦张力，取气隙第= 层 截面上麦克斯韦张力的切向分攫，乘上气隙半径就能得到每相产生的转矩。根据 三相绕组通电方式将三楣互差1 2 0 。电角度转矩计算值进行合成得到电机的平 均转矩。 大致可将矩角特性分为三个阶段( 图3 1 0 ) ： 上海大学硕士学位论文 1 ) 磁通迅速增翩阶段。从转子诲极前沿与定子齿极后沿相遇到藿合大 约3 0 。电角度左右为止。绕组匝链磁通从0 煺加到局部饱和状态， 电流越大，上升的过程就越快。 2 ) 磁邋量线性增加阶段。大约扶3 0 。魄建度至1 5 0 。魄囊度之阕。这 一阶段的磁路是不饱和的，绕组匝镪磁通与定转予齿极重合面积成 线陛关系。 3 ) 磁通然本保持不变阶段。大约从1 5 0 。电角发至1 8 0 4 电角度之问。 在这一除段，整个磁路迭爨饱和，虽然转子的转动蕊定转子齿辍熏 合面积继续增加，但由于相对磁导率的下降使绕组暾链的磁通并没 有增加，磁通增长率迅速下降到零。电流越大，磁罐饱和发生的角 度越提前，转矩下降就越快。 8 010 012 0 lo6 018 0 i c t r i cd 豳3 1 0 矩角祷往 3 3 有屏蔽t f s r m 样机磁场分析 表磁瓣蔽是零文磷究豹一令熬焘。t f s r m 载焱路大多是离发镪帮豹，磁蹲越 饱和，漏磁越多。在同样大小电流的情况下，假如能将漏磁降下来，无疑可以降 莪损耗撬离电杌饿能。热磁钢豹嚣的就是为了减少漏磁，其基本琢理是在定子与 转予茵极的两侧( 双边屏蔽) 或定转子齿极择一( 单边屏蔽) 放赣磁钢，放置时 使磁钢的极性与寇子、转子铁芯中的漏磁通方向相反。使漏磁通尽可能少，这就 馊褥气隙磁密有掰增加，从丽增大了电机的出力，对于磁鼹亳度锪程鼓开关磁难 第2 2 炎 5 4 3 2 ， o 一z一- 上海大学硕士学位论文 电动机来说，减少漏磁的意义是很不寻常的。理论和实骏均证明：永磁群蔽的效 果是极其攫著的，在同样大小的魄流下，革边屏蔽可将转矩提藏5 0 左右，双边 屏蔽可将转矩提离近1 0 0 。 3 3 1 样机气隙磁场分布 给出了转子位置角等于0 。、3 0 。、6 0 。、9 0 。、1 2 0 。、1 5 0 。、1 8 0 。电角 度时屏黻样机农电流为i o a 时的气隙磁场分毒。( 图3 。l l 銎3 + 1 7 图3 1 1 1 气隙磁密三维圈 图3 1 1 2 气隙磁密沿y 轴分布 图3 1 2 1 气隙磁密三维闰 图3 1 2 2 气隙磁密沿y 轴分御 篓2 3 挺 上海大学硕士学位论文 图3 1 3 1 气隙磁密三维图图3 ，1 3 2 气隙磁密沿y 轴分布 图3 1 4 1 气隙磁密三维图 图3 1 4 2 气隙磁密沿y 轴分布 图3 1 5 1 气隙磁密三维图图3 ，1 5 ，2 气隙磁密沿y 轴分布 第2 4 烈 上海大学硕士学位论文 图3 1 6 1 气隙磁密三维图 图3 1 6 2 气隙磁密沿y 轴分布 图3 1 7 1 气隙磁密三维图 图3 1 7 2 气隙磁密沿y 轴分布 3 3 2 绕组匝链总磁通的变化 在无屏蔽t f s r m 中，通过分析电枢绕组相电感得到转矩，而对有屏蔽t f s r m ， 磁钢对主磁通的影响使电枢绕组相电感的计算变得复杂，而且这种对主磁通的影 响随定转子齿极相对位置的变化而变化，很难有一个定量的计算，即使考虑将磁 钢产生的磁通减去，得到的相电感结果也是近似的，所以对于有屏蔽t f s r m 转矩 的分析将从另外一个角度考虑，即电枢绕组匝链的全部磁通，研究其随定转子齿 极相对位置的变化而变化的规律。对3 d f e 软件来说，计算定转子齿极任一相对 位置下的气隙总磁通是极其方便的。 之所以从总磁通入手，是基于以下的理论分析：由机电能量转换原理，瞬态 转矩等于磁共能对定转子齿极间角度的偏导数，绕组匝链磁通为电流与定转子齿 销2 5 页 上海大学硕士学位论文 檄间角度的函数，t f s r m 为单边激励结构，电流恒定，由此可得转矩如下： = 斋醅测一弘觋刍四一既】= 等= 言f 严磙】= 嚣p = r 嚣浯， 从这一角度逡发，对两种样瓿戆磁通变化进行了分攒瓣比，其结果裘爨有霹 蔽t f s r m 的磁通变化率更显著。 图3 + 1 8 。a 、转、c 、d 为两台释杌在惑流为瀚、8 a 、l o h 、1 5 a 时一鞠电枢绕 组匝链的全部磁通随转予位置的变化曲线，从中可以得到如下结论： 1 ) 群蔽样梳的磁通变亿率嚣大，说明耦合弱能从电源吸收更多的能蹙，在 转子发生相同的位移时释放出更多的磁能，将其转化为机械能。 2 ) 屏蔽后磁通的最小值小于无屏蔽时的最小值，最大值太于无屏蔽时的最 大僮，藤显电枢魄流越大这秘趋势越明爨。说明懑磁鼹饱和时屏薮鲍效 槊更明显。 * m 0 4 # e l e c l f l c d 8 9 m e e l e c t r i c d e g m a 图3 1 8 a 磁通交纯波形( 5 a ) 。1 一 i 。1 0 a 。o2 。通、诺1 面一面一磊i ，谴1 赫“赫 e 咖r 图3 i 8 b 磁通变化波形( 8 a ) 。藉一百酽一菇4 j 面菌谢猫i 略 e 拯e l 靶d e g r e e 强3 。1 8 e 磁遥变纯波形( i o a )謦3 1 8 。磁透燮弦渡形( 1 5 a ) 第2 6 破 上海大学硕士学位论文 3 3 3 自定位转矩 令电流为零，3 d f e 软件可方便地计算出磁钢的气隙磁场分布，本文给出了 转子位置角等于0 。、3 0 。、6 0 。、9 0 。、1 2 0 。、1 5 0 。、1 8 0 。电角度时气隙 磁密分柿图及对应的求解区域( 图3 1 9 图3 2 5 ) 。 图3 1 9 1 气隙磁密三维图图3 1 9 2 气隙磁密沿y 轴分布 图3 1 9 3 求解区域 图3 2 0 1 气隙磁密三维图图3 2 0 2 气隙磁密沿y 轴分御 第2 7 页 上海大学硕士学位论文 图3 2 0 3 求解区域 图3 2 1 1 气隙磁密三维图 图3 2 1 2 气隙磁密沿y 轴分布 图3 2 1 3 求解区域 第2 8 页 上海大学硕士学位论文 图3 2 2 1 气隙磁密三维图图3 2 2 2 气隙磁密沿y 轴分布 图3 2 2 3 求解区域 图3 2 3 1 气隙磁密三维图 图3 2 3 2 气隙磁密沿y 轴分布 第2 9 负 上海大学硕士学使论文 图3 2 3 3 求解区域 图3 。2 4 i 气骧磁密三维翻图3 2 4 2 气豫磁密沿y 轴分布 图3 2 4 3 求解区域 箨3 0 疆 上海大学硕士学位论文 图3 2 5 1 气隙磁密三维闰图3 2 5 2 气隙磁密沿y 轴分布 图3 2 5 3 求解区域 从气隙磁场沿切向( y 轴) 分布可以看出，气隙磁通方向一律向下为负值， 由于定子左齿极磁镶豹极性方向与右齿投磁钢相反，转子左齿投磁钢极性与右齿 极褶反，同理可知定转子左齿极气隙处的磁遥方向始终向上为正。这说明磁锈磁 通是从定子右齿极一定子轭一定子左齿极一转予左齿极一转予轭一转子右齿极 一定予右齿极，穿过气隙两次。通过定转子左右两侧磁钢形成闭合。 由于磁钢的存在，皇定位转矩是不可避免的。t f s r m 样机豹自定位转矩有与 众不同的特点，由予 1 ) 每相均有屏蔽磁钢且结构相同。 2 ) 定子铁心周向每相相差1 2 0 。电角度，转予铁心在周向无相角差。 所以每相的自定位转矩也必将相差1 2 0 。电角度，将一相的计算结果滞后 1 2 0 。电角度与2 4 0 。电角度得到勇两褶豹自定位转矩，之后将三相的结果叠期 所得到的是对电机运行有实际意义的自定位转矩。不论电机采取何种通电方式， 不论定转子齿极间的位置关系怎样，电机转予所受剿的总是合成自定位转矩的影 籀3 1 吹 上海大学硕士学位论文 向。 对于样机来说，在o 1 8 0 。电角度范围内，自定位转矩曲线有两个波峰和 一个波谷，类似马鞍形状，后一个波峰的幅值明显大于第一个，由于1 8 0 。 3 6 0 。电角度的自定位转矩与前1 8 0 。电角度相反，在此只研究了o 1 8 0 。电角 度内的自定位转矩，由图3 2 6 可见，在该范围内，将三相叠加后，总自定位转 矩呈现两头高，中间低的波形。 o” 翟m 吼嚣5 ”o ”5 ”o ”5 ”o 图3 2 6a 相自定位转矩与三相合成自定位转矩 3 3 4 矩角特性 图3 2 7 a 、b 、c 、d 为当电流分别为5 a 、8 a 、i o a 、1 5 a 时两台样机矩角特 性的对比，从中可以看出。增加磁钢后对电机转矩有两方面的影响。第是能大 幅度提高电机转矩，第二受到磁钢定位转矩的影响，电机转矩曲线在中间有下凹， 电流越小下凹的幅度越大，但最小值仍然高于无屏蔽磁钢时的转矩最大值。所以 尽管增加磁钢有一定的负作用，但转矩有了成倍的提高电流越大时，电机转矩 的下凹越不明显，对于磁路饱和度高的开关磁阻电机来说，永磁屏蔽是提高转矩 的一种可行性方案，而且增加磁钢不改变电机的基本机械结构，只是利用了横向 磁场开关磁阻电机定转予齿极之问的空隙，磁钢用量较永磁电机少。 第3 2m 2 5 1 5 o 5 1 5 2 1 0 o 1 一izxlp 上海大学硕士学位论文 = 5 a= e a o2 04 08 01 z 口1 4 0l 。at01 1 2 0t 4 01 1 l c ”k f c ”k “口r 图3 2 7 a 矩角特性( 5 a ) l _ 0 a o2 0 _ o * l c ”kd o l l 图3 2 7 b 矩角特性( 8 a ) 珏一一j 5 毫 。 圈3 2 7 c 矩角特性( 1 0 a )网3 2 7 d 矩角特性( 1 5 a ) 3 4 磁钢尺寸选择 t f s r m 中全部磁钢用来屏蔽漏磁通而不是产生气隙磁场，从遮一点上讲磁钢 鲍鼹量不寰过多，番烈裁失去了突甄意义。进一步的分褥霹知，磁钢的用爨著苓 是越多越好，例如当磁钢在切向的长度越过一定德后，屏蔽效果反而下降。从以 上嚣方瑟考虑，瓣定络梅载电瓿，屡薮磁钢都谨在一个羧钱尺寸，本文瓣寻钱 是以样机为标准，以磁钢切向与径向的尺寸为自变量。以磁钢屏蔽漏磁后产生的 转矩为寻俊磊标y 泉进行。 磁钢在径向( x 方向) 加长能使转矩提高，从图3 2 8 可以看出，两卷是 种非线形关系，当磁钢在径向增加到一定长度后，转矩的增加菲常缓慢。磁路饱 和时漏磁通大多发生在气隙隧近，磁钢在径向增嬲时，单位体积的磁锻所屡蔽毂 漏磁通总羹的增加幅度将越来越小。所以一味增加磁钢在径向的长度其实际意义 凳3 3 斑 。 ” ：；：r。， ”。 。， 。；5： 上海大学硕士学位论文 是不大的。 磁钢在切向( y 方向) 适度的增加能提高转矩，但增加得太多反而会使转矩 下降，这是由于随着切向磁钢长度变长，气隙磁通向齿极中间集中，等效的齿极 宽度减小。 无论从理论计算还是从实际经济性考虑，磁钢用量过多都是不合适的，对样 机来说，首先应将磁钢安放在气隙附近。因为此处的漏磁通最多；其次应该找到 磁钢尺寸的一个最优值，样机磁钢的最终切向长度选择3 m m ，为定转子铁心叠装 厚度的四分之一，从图3 2 8 可以看出，这个长度对应的转矩最大；磁钢的最终 径向长度选择3 m m ，此值大致对应转矩值的拐点。径向长度再增加经济性会变差。 图3 2 8电机出力与磁钢尺寸关系示意图 第3