新型双定子永磁无刷电动机的结构设计

新型双定子永磁无刷电动机的结构设计陈菊华（重庆工贸职业技术学院，重庆408000）摘 要：设计了三种不同结构的双定子永磁无刷电动机，分析了各自的结构特点，比较了双定子永磁无刷电动机与传统永磁无刷电动机性能。分析比较表明双定子永磁无刷电动机具有比传统电动机更好的优越性。关键词：双励磁永磁无刷电动机；结构设计；传统永磁无刷电动机；比较theDesignofaNewDual-StatorPermanent-MagnetMotorCHEN Ju-hua，WU Min （Chongqing Industry and Trade Polytechnic, Chongqing,408000, China）Abstract：DesignedaDual-Statorpermanentmagnetbrushlessmotorinthreedifferentstructuresandanalyzedtheirstructuralcharacteristics;ComparedtheDual-Statorpermanentmagnetbrushlessmotorwithtraditionalpermanentmagnetbrushlessmotor.AnalysisandcomparisonshowedtheDual-Statorpermanentmagnetbrushlessmotorhasmoreadvantagesthantraditionalpermanentmagnetbrushlessmotor.Key words: Double excitation permanent magnet brushless motor;Structure Design;Traditional permanent magnet brushless motor;Comparison.0 引言双定子永磁无刷电动机相对传统的永磁无刷电动机来说，是一种新类型的永磁无刷电动机。作者在煤矿机械2012年第8期上发表的“煤矿双定子永磁无刷电动机有限元时步法的研究”一文已对双定子永磁无刷电动机的有限元建模进行了详细分析1。这里将继续讨论双定子永磁电动机的结构设计及其与传统永磁无刷电动机的比较。1 双定子永磁电动机的结构与工作原理 图1 串联磁路表贴式双定子永磁电动机及其等效磁路根据磁路结构的不同，此处提出了三种不同结构的双定子永磁电动机，第一种为串联磁路表贴式双定子永磁电动机，如图1所示；第二种为并联磁路表贴式双定子永磁电动机，如2所示；第三种为并联磁路嵌入式双定子永磁电动机，如图3所示。负载等效磁路也在图中分别加以说明。其中，为永磁体的计算磁动势；为永磁体磁导；为转子磁导；为电动机的漏磁导；为包括气隙和定子齿部的主磁导；为电枢磁动势；为主磁通；为漏磁通；为永磁体向外磁路提供的总磁通。变量里面下标“o”代表外定子2，“i”代表内定子。根据对励磁磁场的作用不同，主要起增磁和去磁的作用3。第一种电动机为串联磁路，后两种电动机为并联磁路。相比较而言，表贴式电动机相对于嵌入式电动机更节省空间。对于串联磁路表贴式双定子永磁电动机，由于磁力线不通过转子铁心，所以转子铁心可以设计得很薄；而对于并联磁路表贴式双定子永磁电动机，由于磁力线通过转子铁心，若永磁体数量相同，为了防止铁心饱和，转子铁心将设计得比第一种电动机厚很多，从而降低了电动机内部空间的利用率。图2 并联磁路表贴式双定子永磁电动机及其等效磁路图3 并联磁路嵌入式双定子永磁电动机及其等效磁路图4和5给出了新型双定子永磁电动机结构示意图，其结构参数如表1所示。由于该双定子永磁电动机为24槽、22极定子结构，其内、外定子绕组可以设计为分数槽集中绕组，其定子绕组的槽电动势星形图和一相绕组的连接图如图6和图7所示。图4 新型双定子永磁电动机结构视图图5 新型双定子永磁电动机三维立体图表61 样机的主要技术参数名 称参数名 称参数名 称参数额定功率/W2000内定子内径/mm92气隙长度/mm0.6额定电压/V48内定子外径/mm165内定子槽数24额定相电流/A46外定子内径/mm191外定子槽数24额定转矩/（Nm）40外定子外径/mm245线圈匝数11额定转速/（r/min）400铁心长度/mm50极数22图6 槽电动势星形图由于磁极的磁通密度沿气隙圆周按正弦规律分布，转子沿逆时针方向恒速旋转，定子各槽内导体的感应电动势随时间按正弦规律变化2。由于各槽在空间上彼此相差电角度，因此线圈内各导体电动势也在时间相位上差电角度。从而，2号槽导体电动势矢量比1号槽滞后，同理3号槽比2号槽滞后。按照相带分相，每相正负相带各取4个槽，从而得到三相电动势大小相等，相位差。各相所占槽号为：A相：1、2、3、4和13、14、15、16。 B相：5、6、7、8和17、18、19、20 。 C相：9、10、11、12和21、22、23、24 。 单层绕组绕组串联为：l23413141516。 双层绕组绕组串联为：123234541314151415161716。 由于采用分数槽集中绕组的连接，三相对称绕组连接中3次和3的倍数次谐波被消除，从而单层绕组1次谐波、5次谐波和7次谐波的分布因数分别为0.958、0.205和0.158，双层绕组为0.949、0.163和0.096。由此可以看到双层绕组相比于单层绕组可以削弱5次谐波和7次谐波，但是同时也会削弱基波幅值。图8和图9分别为单层和双层绕组一相通电时的磁力线分布。b）双层连接的定子绕组图7 单层和双层连接的定子绕组a）单层连接的定子绕组图8 单层绕组一相通电 时的磁力线分布图9 双层绕组一相通电时 的磁力线分布2 双定子永磁电动机的优势与特点这种新型双定子永磁电动机采用了分数槽单节距分布式绕组，分数槽单节距分布式绕组与传统电动机中经常使用的整数槽分布绕组相比，有其以下独特的优势： （1）相比于一般整数槽分布绕组，可以大大减少定子绕组的端部长度，从而减少铜损，有利于效率的提高。对长径比小的电动机来说，优势更为突出。 （2）由于绕组线圈都是独立的，有一个槽间距，可以在制造过程中实现机器自动下线，因此简化了制造过程，节省了成本。 （3）由于各相绕组之间没有耦合，互感非常小，从而可以每相独立控制，提高了电动机的可控性。 （4）此类绕组结构可以得到比较高的自感，从而可以提高电动机的弱磁能力。 （5）由于绕组相与相的磁路、热场连接都是相互独立的，对于多相电动机而言，当一相发生故障时，其他相还能独立控制运行，因此采用分数槽单节距定子绕组，电动机的容错性比较好。 双定子永磁电动机除了具有以上提到的分数槽单节距分布式绕组的优点外，还具有另外一些单定子永磁电动机所不具有的优点： （1）具有内、外两个同心式定子结构，中间为一个杯形转子。永磁体安装于转子内、外两侧。采用串联磁路表贴式的磁极结构。由于磁力线不通过转子轭部，因此该结构可以充分减少转子轭部的高度，从而减少电动机的体积和质量，提高了电动机的转矩密度4。（2）采用多极结构。该结构可以显著减少定子轭部高度，从而减少电动机的体积和铁心用量，进一步提高转矩密度。多极结构的电动机还显著减少了定子端部长度，减少定子铜损和发热，提高了效率。（3）具有两套独立的定子绕组结构。两套绕组既可以串联使用，提高电动机的转矩输出；又可以每套绕组独立控制，当一套绕组发生故障时，另外一套绕组可以正常运行，不受干扰。因此，其容错性能强，并且控制灵活多变。 （4）内、外绕组可以设计一定的电角度差。在发电状态下，双定子永磁电动机可以通过外部的切换电路，调节内、外定子绕组的连接方式，从而改变并限制其输出电压幅值，达到弱磁调压的效果。（5）采用24槽、22极的极槽配比结构。由于在双定子永磁电动机的结构设计中，电动机的自定位转矩与槽数和极数的最小公倍数成反比，故该电动机的自定位转矩小，有利于电动机的驱动控制。3 新型双定子永磁无刷电动机与传统永磁无刷电动机的比较由于双定子永磁无刷电动机可以有效利用内部空间，故比传统电动机有更高的转矩密度。其电动机原型机如图10所示。此处将表贴式双定子永磁无刷（DSSPMB）电动机、嵌入式双定子永磁无刷（DSIPMB）电动机和传统的永磁无刷（SSSPMB）电动机相比较，如图11所示。三个电动机具有同样的电负荷和磁负荷。DSSPMB和DSIPMB电动机设计为同样的功率，但是由于嵌入式永磁体需要占更大的空间，这样会导致内径的减少，定子绕组将会难以放置，因此我们在保持电负荷和磁负荷相同、内定子外径不变的基础上设计DSIPMB电动机。SSSPMB电动机设计为和DSSPMB电动机具有同样的外径大小。图10 新型双定子永磁无刷电动机原型机图11 三种永磁无刷电动机结构 经过比较可以发现，尽管DSIPMB电动机可以产生一定的磁阻转矩，但是由于其占用了更多的电动机内部空间导致整个电动机尺寸和重量的增加，所以整体的转矩密度会低于DSSPMB电动机。如图12所示，DSIPMB电动机自定位转矩会比DSSPMB电动机大很多。尽管DSSPMB和SSSPMB电动机具有相同的大小，但是最终计算结果证明，DSSPMB电动机出力远远大于SSSPMB电动机。由此可以看到DSSPMB电动机的优势比较明显。图612 自定位转矩占额定转矩百分比 4 结束语本文对三种不同结构的双定子永磁无刷电动机进行了设计，分析了各自的结构特点，进行了双定子永磁无刷电动机与传统永磁无刷电动机的比较。双定子永磁无刷电动机比传统电动机具有更好的优越性。参考文献：1 吴敏煤矿双定子永磁无刷电动机有限元时步法的研究J 煤矿机械201308：81842 万军永磁直流无刷电动机的研究浙江大学硕士论文D200306013 周文娟自动门用永磁无刷直