基于RMxprt磁路法的雙定子永磁無刷直流電機設計方法

劉沛麟, 趙朝會

(上海電機學院,上海 201306)

基于RMxprt磁路法的雙定子永磁無刷直流電機設計方法

劉沛麟, 趙朝會

(上海電機學院,上海 201306)

雙定子永磁無刷直流電機(DS-PMBL)因其高機械集成度、高轉矩密度而具有較高的應用價值。但其特殊的結構，難以用現有的設計程序進行電磁設計。將基于Ansys軟件中的RMxprt模塊并結合傳統磁路計算法，借助定子裂比優化法探討將DS-PMBL拆分成兩個單定子永磁無刷直流電機(內電機和外電機)，分別展開設計，最終將兩個設計方案合理拼接成DS-PMBL模型，并通過相關仿真試驗驗證模型的性能。

雙定子永磁無刷直流電機； RMxprt磁路法；內電機；外電機

0 引 言

雙定子永磁無刷直流電機(Dual-Stator Permanent Magnet Brushless,DS-PMBL)對比傳統單定子永磁無刷直流電機，空間利用更為充分、機械集成度更高、控制策略更為靈活，同時由于轉子采用的杯環結構，所以轉子的轉動慣量較后者更小，電機整體轉矩密度更大，控制響應更為迅速[1]。

文獻[2]基于傳統單定子永磁電機在尺寸固定情況下提升設計轉矩存在一定難度，提出一種在原外定子永磁電機內部增加一個內定子的雙定子永磁電機結構，目的在于從理論計算角度能大幅度提升永磁電機的轉矩，并設計出樣機驗證設計方法可行性。文獻[3-4]基于單層氣隙永磁電機裂比優化設計思路[5-6]，首先定義DS-PMBL的裂比為內定子外徑與外定子外徑之比，通過公式推導了內、外電機功率與裂比的關系式，進而求出能使DS-PMBL達到最大輸出功率的最優裂比，并最終通過樣機驗證結論。文獻[7-9]研究雙定子永磁電機串聯磁路的若干問題，首先通過傳統磁路法推導出串聯磁路的雙定子永磁電機轉矩特性公式，從公式中分析內、外定子間的磁干涉性；而后從公式中提煉了串聯磁路雙定子永磁電機齒槽轉矩分量，分析內、外定子錯位可在不影響反電動勢基波幅值前提下削減繞組反電動勢中諧波量，并通過樣機證明結論；最后通過公式推導證明了在三相單層永磁體串聯磁路的雙定子永磁電機中繞組的自感和互感均不是常數，除了恒定分量外，還存在一個二次諧波分量，而磁耦合不僅發生在各相繞組間還發生在內、外定子繞組間。文獻[10]借助有限元軟件討論繞組反電動勢諧波最優削弱下內、外定子的最佳錯開角。文獻[11]通過內、外電機的繞組自感和互感情況討論雙定子電機應用串聯磁路和并聯磁路的優劣勢，最終設計一種串聯磁路的20槽22極的五相雙定子永磁電機，電機轉子采用永磁體雙層排布的串聯磁路(繞組高自感、低互感、氣隙磁密波形幾乎不受電樞反應影響)。文獻[12-13]借助3D有限元軟件設計一種錐形轉子結構的雙定子永磁電機，由于錐形轉子增大了氣隙的計算長度，從而減小了定轉子的耦合面積；同時研究得到了通過控制內電機定子電流實現弱磁調速的方案。文獻[14]研究一種軸向充磁的雙定子永磁電機，其內、外定子繞組與電源總線角型連接形成一種六相永磁電機，理論、仿真和試驗均證明該設計對比傳統六相永磁電機在不犧牲容磁能力和轉矩輸出情況下，可大幅降低電機渦流損耗。文獻[15]運用傳統永磁電機矢量控制技術結合對雙定子電機模型電樞磁鏈的解耦分析，提供了一種能應對一相短路或斷路的容錯控制方式，并通過試驗證明可行性。文獻[16]設計了一種轉子螺旋運動式的雙定子永磁電機，由內定子繞組磁鏈提供旋轉轉矩，外定子繞組磁鏈提供直線運動轉矩，借助有限元軟件，改變內、外定子電樞磁鏈，提高電機的運行性能，并最終通過試驗證明了樣機能在最高轉速1 000 r/min下至少移動75 m，且電機起動反應迅速，各項指標波形表現穩定。

本文借助雙定子裂比法，結合傳統磁路法和RMxprt模塊，將所要設計的DS-PMBL模型概念性地區分成內轉子和外轉子電機分別進行磁路計算，而后將兩個設計合理的模型拼接成DS-PMBL，并通過有限元模型對拼接后的DS-PMBL進行電磁性能分析。

1 DS-PMBL的拓撲結構及性能參數

本文設計的DS-PMBL考慮應用在一種微型車的驅動輪上，如圖1所示。整車驅動屬于一種直驅方式，因此電機整體的外徑尺寸結合實際應不超過200 mm；參考這類微型車在不考慮電池節能管理的情況下最高時速可以達到50 km/h，按照200～250 mm的輪徑計算轉子轉速超過1 300 r/min；結合這類電動微型車的功率和電源要求，最后設計的DS-PMBL輸出額定功率控制在450～550 W，電源電壓確定為48 V。DS-PMBL徑向截面拓撲結構如圖2所示。虛線標明了DS-PMBL分離設計的區域即內電機和外電機部分。

圖1 電動微型車3D模擬圖

圖2 DS-PMBL徑向截面拓撲結構

根據文獻[5]研究定義的內、外氣隙功率比與DS-PMBL裂比之間的關系有

式中:kg——功率分割比；

PI、PO——內、外氣隙功率；

AsI、AsO——內、外定子槽面積；

DgI、DgO——內、外定子外徑。

結合實際需求和理論分析推導，表1給出了DS-PMBL設計要求范圍。

表1 DS-PMBL設計要求

2 DS-PMBL磁路設計

2.1內、外電機主要尺寸確定方法

永磁電機的主要尺寸包含了電樞軸向長度和電樞徑向直徑，兩者設計的合理性對電機性能有重要影響。兩個單定子電機的尺寸設計要求需滿足式(2):

式中:D——電樞徑向直徑；

lef——電樞軸向長度；

P*——輸入功率；

KNM——氣隙磁場波形系數；

Kdp——電樞繞組系數；

A——線負荷；

Bδ——氣隙磁密；

n——轉速。

根據式(2)，取內、外電機相關參數如表2所示。

表2 內、外電機關于式(2)相關參數

2.2電機繞組排布

內、外電機定子繞組均選取雙層疊繞組排布。內、外電機繞組排布如圖3、圖4所示。內、外電機定子一相繞組繞線方式如圖5所示。

圖3 內電機定子繞組繞線方式

圖4 外電機定子繞組繞線方式

圖5 DS-PMBL內、外定子一相繞組繞線方式圖

2.3定子尺寸確定

如圖6所示的1/4對稱模型，其單極的磁力線約被平均分配在6個齒上。6個齒中的磁力線又分成了兩路朝兩個方向的軛部穿過，理論上定子軛部厚度應該為單個齒寬的3倍，實際應用中定子軛部厚度應稍大于3倍齒寬，即有式(3):

圖6 某4極36槽外轉子電機磁力線示意圖

通過式(4)、式(5)獲得所設計電機的定子內徑Din和定子外徑Dout，計算所得參數如表3所示。

表3 內、外電機定子相關尺寸數據

式中，Hs0、Hs1、Hs2、Bs2對應于圖7梨形槽關鍵尺寸參數。

圖7 基于RMxprt磁路法

2.4控制電路選擇

本文設計的DS-PMBL控制電路應基于現有技術較為成熟的三相六步式控制方式展開設計。本文初步擬定采用兩個各自獨立的控制電路，因此所設計DS-PMBL的控制電路需要達到以下幾點。

(1) 控制電路僅設置一套直流電壓為48 V的電源，同時電源側通過兩條互不影響的直流母線分別給內、外電樞繞組供電。

(2) 默認在兩條直流母線進線端設置獨立控制器來控制電流輸入輸出，同時控制器能保證各自電路上的電流時間相位同步。

(3) 默認直流電源最大輸出功率遠大于內、外電機額定功率之和。

(4) 內、外電樞繞組控制電路均采用三相六步式。

本文選取DS-PMBL控制電路在Simplor中搭建，輸入控制電路如圖8所示。由于采用兩條互相獨立直流母線控制內、外定子繞組電流，因此圖8中電路設置2個48 V的電壓源,保證了內、外電路都在48 V直流電壓下工作。由于兩套電路的分離設計模擬出了直流母線供電互不影響的情況，并且仿真模型的運行完全不計器件間差異，保證了各電樞繞組電流同相位，所以此設計符合本文設計初衷。

圖8 DS-PMBL理想控制電路模型

2.5RMxprt磁路計算法

RMxprt是Ansys的一個仿真模塊，其仿真原理主要是基于等效磁路法，具體表現為將電機內部非線性化、分布不均的磁場耦合問題劃分為分段線性、分布均勻的磁路疊加問題。通過這個模塊往往能較快速、簡單地得出電磁參數，但所得出結果的計算精度不高，因此通常被用以得到電機設計的初始方案，并可進行一些趨勢化的分析，但設計出的模型往往達不到工程應用要求。

圖9給出了內、外電機RMxprt模型圖。表4給出了通過RMxprt仿真優化之后內、外電機重要參數的清單。

圖9 內、外電機RMxprt模型圖

3 有限元仿真

利用Maxwell 2d所具備較準確的仿真能力，對DS-PMBL的靜態氣隙磁密和起動運行過程進行仿真分析。

表4 RMxprt仿真優化后內、外電機重要參數清單

3.1DS-PMBL有限元模型

本文設計思路為內電機和外電機模型定子互相不接觸，考慮到目標電機的應用范圍對模型額定功率和尺寸大小的約束作用，進而拼接過程涉及到兩轉子軛部重疊，故可得DS-PMBL有限元模型如圖10所示，主要尺寸參數如表5所示。

參數名稱參數值外定子外徑/mm185外定子內徑/mm125.2外氣隙徑向長度/mm0.4轉子外徑(含磁鋼)/mm124.4轉子內徑(含磁鋼)/mm84內氣隙徑向長度/mm0.5內定子外徑/mm83內定子內徑/mm35

3.2靜態氣隙磁密驗證

通過對DS-PMBL的靜態仿真試驗，可獲得如圖11所示轉子兩側永磁體同方向充磁1/4模型。

圖11 轉子內外兩側磁鋼同方向充磁磁密矢量圖

圖12 DS-PMBL內氣隙與內電機氣隙磁密曲線對比

圖13 DS-PMBL外氣隙與外電機氣隙磁密曲線對比

圖11、圖12分別給出DS-PMBL在靜態場仿真條件下內、外氣隙磁密波形與原內電機和外電機氣隙磁密波形對比。由圖12、圖13可看出，拼接后的DS-PMBL內、外氣隙磁密波形表現均優于原單定子模型(DS-PMBL靜態內、外氣隙平均磁密值分別為0.719 T和0.726 T)，且符合永磁無刷直流電機所需靜態氣隙磁密波形的標準。

3.3起動運行驗證

通過對DS-PMBL起動運行的仿真試驗，可獲得電機額定性能參數如表6所示。表6中直流母線I、II分別單獨控制內、外定子繞組。圖14、圖15為DS-PMBL從起動運行到穩定過程中轉速-時間、轉矩-時間波形。通過觀察仿真試驗參數和關鍵波形，得知電機運行效果符合本文設計要求。

4 結 語

本文對DS-PMBL的研究開展過程和所得結果如下：采用理論成熟的定子裂比法在雙定子電機中的應用，針對設計目標的應用場合，在結構尺寸、功率范圍確定的情況下對電機劃分出的兩部分展開功率估算。選擇估算范圍內的一組功率分割數值，借助RMxprt模塊展開磁路法設計，得到內、外電機的模型尺寸和性能參數。將兩個模型在有限元軟件中通過共用轉子軛部拼接成DS-PMBL。仿真試驗驗證本文設計的DS-PMBL具有較好的電磁性能,且同時具備良好的起動能力和運行穩定性。

表6 動態仿真試驗下DS-PMBL額定性能參數

圖14 試驗條件下DS-PMBL轉速關于時間波形

圖15 試驗條件下DS-PMBL轉矩關于時間波形

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DesignofDual-StatorPermanentMagnetBrushlessBasedonRMxprt

LIUPeilin,ZHAOChaohui

(Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

Dual-Stator Permanent Magnet Brushless (DS-PMBL) has great application value by itshigh mechanical integration and high torque density. However, DS-PMBL can not be designed by current program because of its special structure. Probed into splicing the whole DS-PMBL design as two parts design—inside motoramp;outside motor based on the RMxprt with traditional magnetic circuit method by split ratio of stator. Finally, the model’s performance would be verified by curve of magnetostatic air-gap flux density and dynamic simulation.

dual-statorpermanentmagnetbrushless(DS-PMBL);RMxprtmagneticcircuitmethod;insidemotor;outsidemotor

劉沛麟(1992—)，男，碩士研究生，研究方向為永磁無刷電機電磁設計。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)11- 0061- 06

2017 -07 -18