雙轉子無鐵心永磁同步電動機的設計與仿真

劉 婷，黃守道，王家堡，劉 雄，饒志蒙，郭燈塔

(1.湖南大學，長沙410082;2.海上風力發電技術與檢測國家重點實驗室，湘潭411101)

0 引 言

國內外對雙轉子電機進行了一些研究，主要有雙轉子感應電機、盤式雙轉子永磁電機以及徑向雙轉子電機。雙轉子感應電機有內外轉子鼠籠中間定子結構以及最外面為定子繞組，兩個轉子在里面的結構。研究較多的盤式雙轉子永磁電機結構一般可以看作共用一個定子的兩個軸向磁場永磁電機的合成。而本文研究的電機結構為徑向雙轉子電機。最先提出這種電機結構的是Thomas A.Lino 等人。與盤式雙轉子永磁電機結構相似，只是徑向雙轉子的磁場與轉軸垂直，電機也可以看作是外面一臺外轉子電機和里面的一臺內轉子電機徑向疊在一起共用中間的定子的一種復合式電機，與普通電機相比多了一個轉子，電機具有更高的功率密度和轉矩密度。文獻［1－4］對定子有齒槽結構的軸向磁通以及徑向磁通雙轉子電機進行了相關的研究。而本文在此基礎上研究了一種無鐵心雙轉子永磁同步電動機。與常規電機相比，永磁無鐵心電機具有體積小重量輕、高效節能、調速性好、可靠性強等特點［5］。采用雙轉子結可以有效地利用電機的內部空間，顯著地提高了電機材料利用率與轉矩密度，雙轉子電機與常規永磁電機不同，具有2 個機械軸，能夠實現雙軸能量傳遞。因此，無鐵心雙轉子永磁同步電動機可應用于在無級變速器、電動汽車等領域、某些適合外轉子電機的場合以及要求高效率轉矩密度的場合［6］。

本文設計了一臺額定功率380 W 的無鐵心雙轉子復合結構電動機，并通過有限元仿真軟件，建立模型，進行磁場仿真，研究其空載負載性能。

1 基本結構及原理

雙轉子電機根據內外轉子上的永磁體不同的排列，即當內外轉子上相對的永磁體磁化方向相同或相反時，電機可構成兩種不同的磁路形式。內外轉子相對的磁極分別為N、S 極，磁化方向相同。內外轉子相對的磁極磁化方向相反。當內外轉子相對的磁極磁化方向相同，即內轉子的N 極正對著外轉子上的S 極，內轉子的S 極則對著外轉子上的N 極時，磁通經過外轉子、氣隙、定子、氣隙、內轉子、氣隙、定子回到外轉子，磁通直接穿過定子，不需要定子軛部，因此可以省去定子鐵心，做成無鐵心定子結構，即本文研究的雙轉子無鐵心永磁同步電動機結構。如圖1 所示。

圖1 雙轉子無鐵心電機結構圖

本文研究的雙轉子永磁同步電動機內外兩個轉子，內外轉子之間為公用的無鐵心定子。主要包括外轉子鐵心、外轉子永磁體、無鐵心定子繞組、內轉子永磁體、內轉子鐵心，定子繞組與內外轉子之間分別為內外氣隙。內外轉子端部固定在一起，同軸旋轉。定子為無鐵心結構，即沒有齒槽，因此定子繞組不是繞在定子齒槽上，而是用漆包線繞成多個串聯線圈沿著電機圓周方向按照電相角均勻分布固定，繞組位置確定后通過環氧樹脂澆鑄定型并將繞組固定在定子上。轉子采用表貼式結構。轉子磁極與套環粘接。電機結構如圖1 所示。

本文采用釹鐵硼(NdFeB)永磁材料，表1 為其主要參數。

表1 釹鐵硼材料主要參數

2 電機模型的建立

為了研究無鐵心雙轉子結構永磁同步電動機性能，本文首先對兩種結構的電機進行了初步設計，得到了相應的設計方案。這里兩種結構電機的設計方案功率相同，長度一樣，永磁體都采用釹鐵硼永磁材料，如表1 所示。電機主要參數如表2 所示。兩種電機磁密、熱負荷等也想近，從而保證了兩種結構電機的性能對比效果。

表2 方案主要設計參數

3 有限元電磁場分析

3.1 空載特性分析

無鐵心雙轉子永磁電機有內外兩個轉子，氣隙比較大，因此，與普通電機相比，繞組通電后電樞反應引起的磁場變化要小得多。本節對設計的雙轉子無鐵心電機用有限元方法進行了仿真分析，得到空載時電機的磁場分布，如圖2 所示。

圖2 磁力線與磁通分布

可以看出，兩種結構的電機磁力線都是對稱規律分布，有一定的漏磁，相鄰磁極的磁力線組成閉合路徑。由于電機的結構不同，兩種電機磁路路徑也是不同的。常規電機經過定子鐵心、氣隙、永磁體、轉子鐵心這幾個路段組成閉合路徑。而無鐵心雙轉子電機則沒有了定子鐵心這一路段，但是有兩個永磁體與轉子鐵心。兩個轉子上的永磁體串聯提供氣隙磁通，主磁通同時經過內外轉子而閉合。雙轉子無鐵心電機氣隙比常規電機大很多，永磁體用量也比常規電機多。

對常規電機以及雙轉子無鐵心電機空載情況下的有限元空載仿真分析，得到兩種結構電機的空載感應電勢波形如圖3 所示。常規電機空載感應相電壓有效值約為11.49 V，雙轉子無鐵心電機空載感應相電壓有效值分別為10.92 V，兩者幅值大小接近。從圖中可以看出，常規電機的空載感應電壓波形頂部有諧波引起的鋸齒狀。而雙轉子無鐵心電機則明顯平滑得多。

圖3 空載電勢波形

3.2 負載特性分析

對雙轉子無鐵心電機以及常規電機通過有限元方法進行負載仿真分析。圖4 為雙轉子無鐵心電機以及常規電機空載以及負載情況時一極氣隙處圓周方向的磁密分布。對比圖形可以看出，常規電機氣隙磁密頂端有明顯的齒狀波形，這是由于定子齒槽的影響使氣隙磁阻不均勻，更多的磁力線沿著磁阻小的路徑從定子齒進入定子造成。而雙轉子無鐵心電機氣隙磁密頂端較平滑，這是由于電機定子無鐵心結構的影響。雙轉子無鐵心電機以及常規結構電機空載磁密最大處為0.74 T 和0.82 T。另外，從圖中可以看出，常規電機負載氣隙磁密因電樞反應發生畸變較為明顯，而雙轉子無鐵心電機負載時氣隙磁密卻沒有那么大的變化。

圖4 氣隙磁密分布

圖5 為雙轉子無鐵心電機以及常規電機輸出轉矩對比波形。雙轉子無鐵心電機內外轉子額定轉矩分別為2.67 N·m 與2.6 N·m，雙轉子無鐵心電機的轉矩由內外轉子轉矩疊加得到。常規電機的轉矩為5.29 N·m，兩種結構電機負載轉矩相當，輸出功率均達到380 W。

圖6 為兩種結構電機負載情況下的繞組電流波形。電機電壓輸入均為24 V 交流電。從圖中可以看出，常規電機電流為11.9 A。雙轉子無鐵心電機繞組電流11.7 A。可以看出，雙轉子無鐵心電機繞組電流較小。對電流電壓進行后處理，計算得到兩種結構電機輸入功率分別為438.36 W 與458.18 W。可見雙轉子電機的效率較高。

圖6 負載情況下的負載電流波形

4 結 語

本文對雙轉子無鐵心永磁同步結構的電機以及常規電機進行設計與有限元仿真，對電機的性能特點進行了分析與對比。由有限元計算結果來看，雙轉子無鐵心電機空載感應電壓波形較好，性能良好可行，同時雙轉子無鐵心永磁結構電機具有重量輕、效率高、損耗低的特點，對于提高電動機效率，節約能源與保護環境具有重要意義。由于雙轉子無鐵心電機有其自身特點，與常規電機有一定區別，它的最優設計方法有待進一步研究。

［1］ 喬鳴忠，張曉鋒.單定子雙轉子盤式永磁同步電動機設計［J］.微電機，2008，41(6):14－16.

［2］ 辜承林.轉子無鐵心式直流永磁盤式電機的磁場和解析解分析與優化設計［J］. 中國電機工程學報，1996，16(2):125－129.

［3］ 徐衍亮，王法慶，馮開杰.雙轉子永磁電機電感參數、永磁電勢及齒槽轉矩［J］.中國電機工程學報.2007，22(9):40－44.

［4］ 宿國棟，靳偉.30 kW 雙轉子永磁發電機磁場有限元研究［J］.研究與設計，2009，36(6):14－16，44.

［5］ 曹江華，楊向字，肖如晶.雙轉子徑向永磁電機的設計與有限元分析［J］.電機與控制應用，2010，37(1):8－12.

［6］ 龐珽，黃聲華，黃曉輝.雙轉子電機及其典型應用［J］.微電機，2007，40(2):66－69.