新型磁通切換外轉子電機優化設計和瞬態聯合仿真

沈月香，全 力，朱孝勇，彭雪辰

(江蘇大學，鎮江212013)

0 引 言

隨著新能源電動汽車的的出現，對電機本體的設計和驅動系統的要求也越來越高。傳統的直流電動機和異步電動機也被新型的永磁電動機所替代，磁通切換永磁電動機采用“開關磁阻電機+永磁體”結構，使得該電機兼備了開關磁阻電動機和永磁電動機的優點，具有結構簡單、可靠性高、功率密度高、適合高速運行等特點。

對于磁通切換電機的研究，國內的浙江大學和東南大學較早就開展了對磁通切換電動機的研究。國內外目前主要集中在12/10極、6/5極、6/4極、12/8極、8/6極等結構上［1］，研究的主要方面有電機本體設計、電磁性能分析、電機優化、諧波分析、損耗分析、弱磁擴速運行的結構與性能、控制系統等方面［2］。由于該電機是雙凸極結構，使得定位力矩較大，關于此電機的優化也大多集中在齒槽轉矩、輸出轉矩等方面。

本文以三相12/22極磁通切換電機為研究目標，參考12/10極內轉子電機原始結構模型設計，對電機的參數結構進行優化，優化目標為電機的輸出轉矩和定位力矩。采用場路耦合法對電機及其控制系統進行Maxwell－Simplorer瞬態聯合仿真，以驗證該結構的可行性。

1 電機結構與設計

12/22極外轉子磁通切換電機如圖1所示，定轉子采用雙凸極結構，定子上裝有集中繞組，轉子無繞組，相對的四個定子齒上的繞組串聯成一相。

首先，通過計算與分析確定電機定轉子齒槽數?；陔姍C的基本原理可知電機的定子齒數Ns和轉子極數Nr應滿足的要求:

式中:n是非負整數;m是電機相數。

本文中設定電機的定子齒數為12，結合式子(1)可得到Nr=12±2n。而n的取值關系到電機的利用率，不可過大或過小。該電機每轉一周，產生的齒槽轉矩的周期數由定轉子極數的最小公倍數G決定，定義，則齒槽轉矩的大小通常正比于K值大小。通常我們希望得到高的G值或低的K值。

三相內轉子電機通常選用12/10的結構，而外轉子電機轉子內徑大于定子外徑。所以，轉子的極數要大于定子齒數。結合上面的分析，在定子齒數Ns=12的條件下，選擇不同的轉子極數Nr，計算數據如表1所示。

表1 不同定轉子極數配合下的G和K值

從表中可看出，Nr=22時，可得到高的G值和低的K值。所以此電機設計結構采用12/22結構，由此可得到電機的基本模型，如圖1所示。

圖1 電機結構圖

電機的定轉子齒槽數確定后，電機的基本結構可確定。目前外轉子電機的設計沒有具體的計算公式，只得根據內轉子電機的結構尺寸設計外轉子電機。磁通切換內轉子電機“四個寬度尺寸相等”的設計理論同樣可應用在外轉子電機的設計上，依據內轉子電機的結構尺寸，計算外轉子電機的結構尺寸，由此可確定外轉子電機最初的結構模型。因而這個模型并不是通過精確的計算得到的，電機的結構尺寸不一定是最優的，電機的性能也達不到最優，所以還要在此基礎上對電機結構進行優化［5］。利用Maxwell軟件對電機參數化建模，進行有限元仿真，結合仿真的波形分析電機結構，優化電機結構參數，使電機的輸出轉矩最大，轉矩脈動最小，得到最佳的電機結構尺寸。電機結構參數初值如表2所示。

表2 電機結構參數初值

2 電機結構尺寸優化

電機的初始結構確定之后，還要通過有限元分析里的優化模塊對電機的某些參數進行優化，使電機性能達到最佳狀態。首先，選擇對電機性能影響較大的參數進行優先優化，如轉子齒寬、氣隙、永磁體厚度等。主要優化參數初始值及約束條件如表3所示。電機結構參數如圖2所示。

圖2 電機結構參數

表3 電機的主要尺寸

根據表2中主要參數列表進行優化，可選擇一個或多個參數同時優化，優化的目標就是使電機的輸出轉矩大，而定位力矩越小越好。若選擇一個參數，即其他參數都不變，只有這個參數變化，優化后選擇出使優化目標最優的優化值代替初始值;而若選擇多個參數同時優化，即選中的幾個參數在約束條件范圍內排列組合，最后可得到最優的幾個參數組合。用這兩種方法都可達到優化目的，本文選擇一次對一個參數進行優化，下面就是各參數的優化結果。

由圖3～圖7中可以看出，除了轉子齒高，其余的參數均對平均轉矩及轉矩脈動有很大的影響，從圖3中可以看出，平均轉矩和轉矩脈動都隨著氣隙的增大而減小，而其他參數都是先增大后減小，而氣隙和永磁體厚度對定位力矩的影響較大。選取優化值時應優先選擇轉矩較大的;與此同時，還要考慮定位力矩和轉矩脈動的要求。對永磁體厚度的選擇，還要考慮到永磁體的利用率和氣隙磁密的大小，氣隙的選取要考慮過飽和問題。優化值選取如表4所示。

圖3 氣隙對定位力矩、平均轉矩、轉矩脈動的影響

圖4 轉子極弧系數對定位力矩、平均轉矩及轉矩脈動的影響

圖5 定子極弧系數對定位力矩、平均轉矩及轉矩脈動的影響

圖6 永磁體厚與極距比對定位力矩、平均轉矩及轉矩脈動的影響

圖7 轉子齒高與轉子極距比對定位力矩、平均轉矩及轉矩脈動影響

表4 優化結果比較

優化后電機的優化目標定位力矩、平均轉矩、轉矩脈動均有了改變，電機的性能得到較大的提高。如圖8、圖9所示。

從圖8可以看出電機的定位力矩顯著下降，上下波動幅度也明顯減小，提高了電機的起動性能。而從圖9可以看出電機的輸出轉矩得到較大的改善，轉矩脈動明顯減小。為衡量轉矩特性，定義轉矩脈動系數:

式中:Tmax、Tmin分別為電機的最大轉矩、最小轉矩;Tave為平均轉矩。具體數值比較如表5所示。

圖8 優化前后電機定位力矩波形

圖9 優化前后電機電磁轉矩波形

表5 優化目標參數比較

3 電機控制系統

磁路—電路多物理場瞬態聯合仿真即Maxwell和Simplore軟件進行聯合仿真［14］，這主要是考慮到電路和磁路的耦合性，所以我們要對電機性能進行進一步分析。先利用Maxwell軟件對電機電磁性能分析，再聯合Simplore軟件加上電機驅動和控制電路，兩者實現無縫連接，進行瞬態聯合仿真。此方法可有效提高仿真精度，實現新型電機控制系統仿真性能。

在瞬態聯合仿真模型中，驅動電路采用各相相互獨立的全橋功率變換器，控制電路采用閉環控制電路和正弦脈寬調制技術?？刂葡到y電路圖如圖10所示。

圖10 控制系統電路圖

電路控制原理如下:檢測電機的位置，給電路通入三相電流，測量電流和參考電流之間的誤差與滯環進行比較，如果電流誤差在滯環內，則PWM輸出保持不變;如果電流誤差超出滯環帶，PWM會輸出一個反向的作用，將這個PWM送給功率變換電路的負半周IGBT，將PWM取反加1送給正半周IGBT。

直流側電壓Udc=440 V，滯環參考電流為10 A，電機轉速為750 r/min時，得到電流和轉矩波形，如圖11～圖12所示。

圖11 電機三相斬波電流

圖12 電機輸出轉矩

從圖12可以看出，電機的輸出轉矩從零上升，很快上升到穩定狀態，電機平均轉矩20.664 6 N·m，轉矩脈動為19.35%，可以看出電機輸出轉矩理論值和仿真計算結果基本一致。圖13是在已搭建好的實驗平臺上測出的實驗波形，得到電機在正常運行狀態下電機的轉矩和電流實驗波形，實驗波形的輸出轉矩平均值為20.587 3 N·m。實驗結果與仿真結果一致，說明了樣機設計的正確和合理性。

圖13 正常運行狀態下電機的電流和轉矩(截圖)

4 結 語

本文參考磁通切換內轉子電機，設計了一種新型的12/22極外轉子永磁電機。計算分析定轉子齒槽匹配數，利用Maxwell對電機有限元仿真，優化電機結構，從而減小定位力矩，提高輸出轉矩，提高了電機運行性能。通過多物理場瞬態聯合仿真對電機的穩態性能進行研究，并結合實驗波形驗證了該電機設計的正確性和控制策略的合理性。

［1］黃志文，沈建新，方宗喜，等.用于弱磁擴速運行的三相6/5極永磁開關磁鏈電機的分析與優化設計［J］.中國電機工程學報，2008，28(30):61－66.

［2］朱孝勇，劉修福，全力，等.新型磁通切換電機優化設計與動態建模仿真［J］.電機與控制應用，2012，39(12):1－6.

［3］趙朝會，袁龍生，李鍵，等.6/7極磁通切換雙凸極電動機的研究［J］.上海電機學院學報，2012，15(4):211－215.

［4］花為，程明，諸自強，等.新型兩相磁通切換型雙凸極永磁電機的靜態特性研究［J］.電工技術學報，2006，21(6):70－77.

［5］劉修福，全力，朱孝勇，等.混合動力汽車用新型磁通切換雙轉子電機性能分析［J］.微特電機，2012，41(1):20－23.

［6］黃志文，沈建新，汪昱，等.永磁開關磁鏈電機弱磁運行的結構與性能［J］.浙江大學學報，2009，43(3):578－583.

［7］朱孝勇，程明，花為.新型混合勵磁雙凸極永磁電機磁場調節特性分析及實驗研究［J］.中國電機工程學報，2008(3):90－95.

［8］李鑫，林明耀.新型軸向磁場磁通切換型永磁電機磁場三維有限元分析［J］.微電機，2009，42(5):29－31.

［9］朱孝勇，程明.定子永磁型混合勵磁雙凸極電機設計、分析與控制［J］.中國科學:技術科學，2010，40(9):1061－1073.

［10］CHENG Ming，CHAU K T，CHAN C C，et al.Control and operation of a new 8/6－pole doubly salient permanent magnet motor drive［J］.IEEE Trans.on Ind.Applicat.，2003，39(5):1363－1371.

［11］CHEN J T，ZHU Z Q，HOWE D.Stator and rotor pole combinations for multi－tooth flux－switching permanent－magnet brushless AC machines［J］.IEEE Trans.on magnetics，2008，44(12):4659－4667.

［12］鄒國棠，程明.電動汽車的新型驅動技術［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［13］HUA W，CHENG M.Cogging torque reduction of flux－switching permanent magnet machines without skewing［C］//Proc.of 11th Int.Elect.Mach.Syst.Conf.，2008:3020－3025.

［14］劉修福，全力，朱孝勇.混合動力汽車用新型磁通切換雙轉子電機性能分析［J］.微特電機，2013(1):20－23.