軸向磁通與徑向磁通永磁電機(jī)

為了研究增程器用AFPM電機(jī)設(shè)計(jì)的可行性與合理性，本文對AFPM與RFPM同步電機(jī)的電磁性能進(jìn)行了對比分析。首先，對兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)的磁通路徑進(jìn)行概述；其次，利用有限元方法對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；最后，對電機(jī)空載、負(fù)載工況下的電磁性能進(jìn)行對比及分析，可為增程器發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

1 軸向磁通與徑向磁通永磁電機(jī)

AFPM與RFPM電機(jī)雖同屬于永磁同步電機(jī)，但兩者在電機(jī)結(jié)構(gòu)、磁通路徑方向以及定子制造方面存在較大差異。

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為AFPM與RFPM電機(jī)模型，兩種電機(jī)的主要部件均由定子部分(定子鐵心與繞組)與轉(zhuǎn)子部分(永磁體與轉(zhuǎn)子鐵心)組成。AFPM電機(jī)定子鐵心與轉(zhuǎn)子鐵心的外徑與內(nèi)徑保持一致，軸向長度不同，定子部分與轉(zhuǎn)子部分軸向方向相對裝配；而RFPM電機(jī)轉(zhuǎn)子部分裝配于定子部分內(nèi)部，這種結(jié)構(gòu)的定子鐵心與轉(zhuǎn)子鐵心的軸向長度保持一致。兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)裝配方式的不同，導(dǎo)致兩者在結(jié)構(gòu)上差異較大。

圖1 RFPM與AFPM電機(jī)模型

1.2 磁通路徑方向

AFPM電機(jī)與RFPM電機(jī)的磁通路徑走向如圖2、圖3所示，圖中虛線為某一對N、S極產(chǎn)生的磁通路徑閉合回路。兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)的磁通路徑走向基本相同，均由N極永磁體發(fā)出，經(jīng)氣隙、定子部分、氣隙、S極、轉(zhuǎn)子鐵心，最終回到N極構(gòu)成回路。但兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)的磁通路徑方向卻不同，AFPM電機(jī)整個(gè)磁通路徑的方向?yàn)橄容S向、后經(jīng)定子軛部周向閉合，隨后軸向方向向S極閉合，最終經(jīng)轉(zhuǎn)子盤周向進(jìn)行閉合構(gòu)成整個(gè)回路；RFPM電機(jī)的磁通路徑方向?yàn)橄葟较颉⒑蠼?jīng)定子軛部周向閉合，隨后徑向方向向S極閉合，最終經(jīng)轉(zhuǎn)子鐵心周向進(jìn)行閉合構(gòu)成整個(gè)回路。

圖2 AFPM電機(jī)磁通路徑示意圖

圖3 RFPM電機(jī)磁通路徑示意圖

AFPM電機(jī)的磁通路徑方向與轉(zhuǎn)軸方向平行且沿軸向與周向閉合，而RFPM電機(jī)的磁通路徑與轉(zhuǎn)軸方向垂直且沿徑向與周向閉合。AFPM電機(jī)內(nèi)部空間較大，更有利于電機(jī)散熱。通常為了進(jìn)一步降低定子繞組產(chǎn)生的損耗與端部用銅量，多采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組，可以在一定程度上提升電機(jī)效率、降低成本。

1.3 定子制造

對于RFPM電機(jī)而言，為了降低定子鐵心損耗，通常用開槽的硅鋼片軸向疊壓制成定子鐵心，將繞組纏繞于定子齒上，利用槽楔對槽口進(jìn)行封閉，防止繞組脫落。

而AFPM電機(jī)定子制造方式多樣，比較常見的制造方式有兩種：利用全自動沖卷機(jī)對定子卷繞制成；定子齒、定子軛與繞組三部分拼接而成。

圖4為卷繞定子鐵心模型。這種卷繞而成的定子鐵心損耗較小，但該結(jié)構(gòu)對繞組進(jìn)行繞制時(shí)，由于電機(jī)內(nèi)徑處空間狹小，繞組安裝較困難，且內(nèi)徑處電負(fù)荷較大，使得繞組溫度較高。圖5為拼接定子鐵心圖。先將繞組纏繞于定子齒部，再將多個(gè)定子齒與疊壓而成的定子軛拼接，形成定子部分。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是繞線方便，可減少繞組端部長度，同時(shí)可以降低感應(yīng)電動勢諧波；但定子齒為實(shí)體，導(dǎo)致其渦流損耗較大；該定子結(jié)構(gòu)由多個(gè)部件組成，裝配過程較復(fù)雜。

圖4 卷繞定子鐵心

圖5 拼接定子鐵心

2 電機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

AFPM電機(jī)與RFPM電機(jī)內(nèi)部永磁體的形狀均為扇形結(jié)構(gòu)，AFPM電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致其永磁體和電機(jī)定轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑與外徑尺寸相同，進(jìn)而使得永磁體產(chǎn)生的每極磁通形狀也為扇形結(jié)構(gòu)，電機(jī)內(nèi)部氣隙磁密沿著徑向方向發(fā)生變化，而且隨著半徑的增加，氣隙磁密沿著軸向方向也發(fā)生變化，因此，AFPM電機(jī)內(nèi)部磁場為三維結(jié)構(gòu)，不能簡單地將模型等效為二維直線電機(jī)來求解，只能采用三維模型對其進(jìn)行電磁場計(jì)算。RFPM電機(jī)氣隙磁密僅在徑向方向發(fā)生變化，而在軸向方向的氣隙磁密基本保持不變，氣隙磁密的波形、大小與電機(jī)的軸長無關(guān)，因此，RFPM電機(jī)的電磁場求解計(jì)算可采用二維模型或三維模型。

2.2 研究方法

AFPM電機(jī)氣隙磁場不僅沿徑向進(jìn)行變化，而且不同半徑處的磁密也發(fā)生變化，氣隙磁場為三維形狀，因此，需要對AFPM電機(jī)的三維模型進(jìn)行求解。此外，為了優(yōu)化電機(jī)的性能，通常改變電機(jī)結(jié)構(gòu)來改善電機(jī)的輸出性能，二維模型不能直觀地反映所優(yōu)化的新結(jié)構(gòu)。因此，本文利用ANSYS有限元求解方法對AFPM電機(jī)與RFPM電機(jī)采用三維模型進(jìn)行瞬態(tài)場求解計(jì)算。電機(jī)模型如圖1所示。

2.3 約束條件

本文采用國內(nèi)某公司電動汽車增程器發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，其設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)要求

為了使兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)具有可對比性，還應(yīng)該保證電機(jī)的一些技術(shù)參數(shù)相同，需要對電機(jī)的設(shè)計(jì)要求施加約束條件。約束條件如下：

1)采用相同的電機(jī)材料;

2)保持相同的氣隙長度;

3)保持定子齒磁密、定子軛部磁密、氣隙磁密基本一致;

4)保持定子外徑基本一致;

5)保持熱負(fù)荷基本一致;

6)保持槽滿率基本一致。

在滿足增程器發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)要求與電機(jī)對比約束條件的情況下，電機(jī)的設(shè)計(jì)還應(yīng)該考慮兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)本身的特點(diǎn)。熱負(fù)荷代表電機(jī)內(nèi)部繞組發(fā)熱情況，AFPM電機(jī)內(nèi)部空間較大，散熱性能優(yōu)于RFPM電機(jī)，但AFPM電機(jī)定子內(nèi)徑處的繞組端部堆疊導(dǎo)致端部長度較長。因此，AFPM電機(jī)定子內(nèi)徑不宜太小，通常設(shè)計(jì)AFPM電機(jī)為扁平結(jié)構(gòu)；RFPM電機(jī)根據(jù)尺寸公式可以設(shè)計(jì)為扁平結(jié)構(gòu)或細(xì)長結(jié)構(gòu)。增程器發(fā)電機(jī)對電機(jī)體積要求嚴(yán)格，應(yīng)盡量縮小電機(jī)體積。RFPM電機(jī)的輸出功率與定子內(nèi)徑的平方成正比，因此，本文的RFPM電機(jī)采用扁平結(jié)構(gòu)來縮小電機(jī)體積、減少材料用量。電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)參數(shù)

3 電磁性能對比分析

3.1 空載性能對比

3.1.1 空載反電動勢

空載反電動勢是衡量發(fā)電機(jī)性能的主要指標(biāo)之一，通過對波形及數(shù)值的分析，可以判斷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和輸出電壓的能力。圖6為AFPM電機(jī)與RFPM電機(jī)空載反電動勢波形，其有效值分別為209.34 V與208.43 V。

圖6 空載反電動勢波形圖

由于永磁同步電機(jī)氣隙磁場含有高次諧波，使得感應(yīng)的空載反電動勢也含有高次諧波成分，其中諧波含量占基波含量的百分比為電壓波形總諧波失真率THD，電壓波形畸變率表達(dá)式：

(1)

式中:U3,U5,U7為3次、5次、7次諧波電壓的有效值；U1為基波電壓的有效值。

圖7為空載反電動勢波形傅里葉分解圖。從圖7中可以看出，AFPM電機(jī)比RFPM電機(jī)的3、5、9、17次諧波含量多，而RFPM電機(jī)比AFPM電機(jī)的7、11、13、19次諧波含量多。由式(1)計(jì)算可得，AFPM與RFPM電機(jī)電壓波形總諧波失真率THD分別為3.91%與5.55%，AFPM電機(jī)諧波含量較少，THD較小；AFPM電機(jī)比RFPM電機(jī)的空載反電動勢波形正弦性好。

圖7 空載反電動勢諧波含量

3.1.2 齒槽轉(zhuǎn)矩

齒槽轉(zhuǎn)矩是由永磁體的磁場磁能隨轉(zhuǎn)子機(jī)械角位置的變化而引起的轉(zhuǎn)矩波動，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生振動與噪聲，從而影響電機(jī)的性能。因此，齒槽轉(zhuǎn)矩是衡量電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。圖8為AFPM與RFPM電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖。兩種不同結(jié)構(gòu)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值分別為14.9 N·m與5.26 N·m，RFPM電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩較小。

圖8 齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖

3.2 負(fù)載性能對比

3.2.1 功率密度

功率密度S是指電機(jī)單位特性質(zhì)量所作的功率，功率密度是衡量電機(jī)設(shè)計(jì)的綜合參數(shù)指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：P為發(fā)電機(jī)輸出視在功率(發(fā)電機(jī)接純電阻負(fù)載時(shí)，功率因數(shù)近似為1，輸出視在功率可用電機(jī)輸出有功功率表示)；m為特性質(zhì)量。特性質(zhì)量是指能全面有效地描述電機(jī)導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料的質(zhì)量，它是用來計(jì)算功率質(zhì)量密度的充分條件。

由式(2)可知，計(jì)算電機(jī)的功率密度需知電機(jī)輸出有功功率與電機(jī)各部分有效材料質(zhì)量，圖9為AFPM與RFPM電機(jī)接純電阻負(fù)載時(shí)輸出功率波形圖。表3為電機(jī)各部分有效材料質(zhì)量數(shù)據(jù)。AFPM與RFPM電機(jī)輸出功率的平均值分別為12.08 kVA與11.21 kVA，其中AFPM電機(jī)輸出功率波形較大，主要是由于空載齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值較大的原因。

圖9 輸出功率波形圖

由表3與圖6可知，產(chǎn)生同樣大小的空載反電動勢，AFPM電機(jī)比RFPM電機(jī)所需永磁體更多；此外，AFPM電機(jī)繞組端部較長，導(dǎo)致繞組用量也較多。由式(2)計(jì)算可得，AFPM電機(jī)與RFPM電機(jī)的功率密度分別為1.175 kVA/kg與1.022 kVA/kg，AFPM電機(jī)比RFPM電機(jī)功率密度高14.97%。結(jié)論顯示，單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的AFPM電機(jī)功率密度更高，材料利用率更高。

表3 電機(jī)各部分有效材料質(zhì)量

3.2.2 不同轉(zhuǎn)速下的效率對比

損耗大小決定了電機(jī)的運(yùn)行效率，其中鐵耗、永磁體渦流損耗、銅耗是電機(jī)總損耗的主要部分。圖10、圖11分別為兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下定轉(zhuǎn)子鐵心損耗、永磁體渦流損耗的變化曲線。由圖10、圖11可知，兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)的鐵心損耗與永磁體渦流損耗在低速(<1 000 r/min)時(shí)相差較??；隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，RFPM電機(jī)產(chǎn)生的鐵心損耗要遠(yuǎn)高于AFPM電機(jī)，AFPM電機(jī)的永磁體渦流損耗高于RFPM電機(jī)。在保證電機(jī)定子齒部、定子軛部、氣隙磁密基本相近的情況下，鐵心損耗與永磁體渦流損耗的大小僅與電機(jī)所用有效材料的體積有關(guān)，這就是兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)具有較大損耗差異的主要原因，由表3可知，相比于RFPM電機(jī)，AFPM電機(jī)所用鐵心材料少，所用永磁體材料多。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下的鐵心損耗

圖11 不同轉(zhuǎn)速下的永磁體渦流損耗

圖12為兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的電機(jī)繞組銅耗變化曲線。RFPM電機(jī)所用銅材料比AFPM電機(jī)少，但求解結(jié)果顯示，RFPM電機(jī)繞組銅耗略卻高于AFPM電機(jī)。由式(3)可知，產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是在保證空載反電動勢有效值、氣隙磁密基本一致的情況下，兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)的繞組截面積Ac1與并聯(lián)支路數(shù)a1一致，則繞組銅耗的大小僅與并繞根數(shù)Nt1有較大關(guān)系。由于設(shè)計(jì)兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)的輸出功率要完全保持一致難度較大，AFPM電機(jī)的輸出功率略高于RFPM電機(jī)，則在保證空載反電動勢基本一致的情況下，AFPM電機(jī)的電流較大。此外，為了保證電流密度在一定的范圍之內(nèi)，AFPM電機(jī)繞組的并繞根數(shù)高于RFPM電機(jī)，進(jìn)而導(dǎo)致AFPM電機(jī)雖所用銅材料較多，但卻比RFPM電機(jī)的每相電阻要小，則AFPM電機(jī)繞組銅耗較小。

圖12 不同轉(zhuǎn)速下的銅耗

(3)

式中：ρw為銅的電阻率；N1為每相串聯(lián)匝數(shù)；lc繞組平均半匝長；Nt1為并繞根數(shù)；Ac1為繞組截面積；a1為并聯(lián)支路數(shù)。

電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的效率值如下：

(4)

式中：Pout為電機(jī)輸出有功功率;psteel為鐵心損耗；ppm為永磁體渦流損耗；pcoil為繞組損耗；pst為雜散損耗。

圖13為兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的電機(jī)效率圖，表4為不同轉(zhuǎn)速下的電機(jī)效率。

圖13 不同轉(zhuǎn)速下的電機(jī)效率

表4 不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)效率對比

由圖13可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速在500 r/min至4 000 r/min之間時(shí)，兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)的效率基本相近。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于4 000 r/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的提升，頻率將會增加，定轉(zhuǎn)子鐵心高度飽和，磁密基本不再變化，進(jìn)而頻率對鐵心損耗與永磁體渦流損耗影響變大，RFPM電機(jī)所用定轉(zhuǎn)子材料較多，則RFPM電機(jī)鐵心損耗增加速率較快，此外，高頻率下永磁體渦流損耗也急劇上漲，因此，RFPM電機(jī)效率小于AFPM電機(jī)。由表4可知，兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的效率相差不大。

綜上所述，AFPM電機(jī)比RFPM電機(jī)的功率密度高14.97%，相同輸出功率的情況下，AFPM電機(jī)所用有效材料較少。此外，AFPM電機(jī)的空載反電勢諧波含量較少，波形正弦性較好；但AFPM電機(jī)也存在齒槽轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩波動較大的缺點(diǎn)，對電機(jī)的振動、噪聲產(chǎn)生較大影響。

4 性能優(yōu)化

AFPM電機(jī)與RFPM電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值分別為14.9 N·m與5.26 N·m，為了提升電機(jī)輸出功率的穩(wěn)定性，采用定子開輔助凹槽的方式對兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化之后的電機(jī)定子模型如圖14所示。

圖14 優(yōu)化后定子模型圖

圖15為優(yōu)化后齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖。AFPM電機(jī)與RFPM電機(jī)優(yōu)化之后的齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值為2.66 N·m與1.65 N·m，由圖15可知，通過定子齒開輔助凹槽的方式有效地降低了電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，其中AFPM電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值由優(yōu)化之前的14.9 N·m降低為優(yōu)化之后的2.66 N·m，優(yōu)化效果比較明顯，RFPM電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值較小。

圖15 優(yōu)化后電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩

兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)優(yōu)化之后的電磁性能如表5所示。由表5可知：(1)定子齒開輔助凹槽，對氣隙磁場波形起到改善作用，降低了空載反電動勢中諧波含量，AFPM電機(jī)與RFPM電機(jī)空載反電動勢諧波畸變率均有所下降，其中AFPM電機(jī)波形正弦性較好；(2)AFPM電機(jī)與RFPM電機(jī)輸出功率均有所降低，但AFPM電機(jī)比RFPM電機(jī)功率密度高13.19%；(3)兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)的效率基本相同。

表5 電機(jī)性能對比

5 結(jié) 語

本文以增程器發(fā)電機(jī)為應(yīng)用背景，對AFPM電機(jī)與RFPM電機(jī)在空載、負(fù)載工況下的電磁性能進(jìn)行了對比及分析。結(jié)果顯示，相比于RFPM電機(jī)，AFPM電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩波動大，但空載反電動勢波形正弦性較好，功率密度高；此外，AFPM電機(jī)轉(zhuǎn)子盤可代替增程器飛輪部分，很大程度上節(jié)省了制造成本，AFPM電機(jī)可成為增程器發(fā)電機(jī)的有力競爭者之一。

審核編輯 ：李倩