游標混合電機性能分析

崔智 王天祺 房遠 董政

摘 要：游標混合機是可變磁阻永磁電機，為雙凸極結構電機，主要由轉子鐵芯、調制齒、定子永磁體、定子鐵芯和電樞繞組五部分組成。電樞繞組和永磁體均放置在定子上，轉子鐵芯由硅鋼片疊壓而成。在一般情況下，電機運行主要是電樞繞組發熱，游標混合機的電樞繞組放置在定子上，使得電機散熱快，結構簡單，運行可靠，實現了低轉速大轉矩。因此，游標混合機具有廣闊的應用前景，例如電動汽車、風力發電等。

關鍵詞：游標混合機；可變磁阻；永磁電機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.156

1 引言

與傳統電機相比，游標混合機具有結構簡單、運行可靠、體積小、質量輕、損耗少等顯著優點，幾乎完美符合了電力驅動系統的要求[1]。作為基于磁齒輪效應的變磁阻永磁電機的一種，它常見有兩種拓撲結構，分別為內轉子和外轉子兩種。將三相對稱繞組放置在電樞槽內，同時在電樞齒表面緊貼交替放置極性相反的永磁體，永磁體和電樞繞組均位于定子上的結構使得散熱更容易：轉子為齒槽結構，由硅鋼片疊壓而成，結構簡單可靠[2]。

2 游標混合機的結構

本文所研究的游標混合機結構如圖1所示，該電機由轉子鐵心、調制齒、定子永磁體、定子鐵芯和電樞繞組五部分組成。轉子有17個槽，由轉子鐵心和調制齒組成，定子有6個槽，由定子鐵芯、電樞繞組和永磁體組成。永磁體緊貼電樞齒表面且N、S極交替排列，永磁體為徑向充磁。該結構下的游標混合機結構簡單可靠，運行穩定可靠。同時，與傳統結構的磁齒輪電機相比，在運行過程中，具有顯著優點，例如轉矩密度高、驅動靈活、散熱快等，應用范圍更廣且發展空間大。表1給出游標混合機各個結構參數及符號說明。

3 游標混合機的原理

游標混合電機為雙凸極結構電機，電機運行原理為[3]：轉子齒槽轉動引起氣隙磁導發生周期性變化，永磁體產生的磁動勢與氣隙磁導相互作用，調制出一系列空間諧波與電樞繞組產生的空間諧波作用產生電磁轉矩。本節利用解析法和有限元法分析電機的氣隙磁密分布及其諧波次數來闡述游標混合電機的磁場調制原理。下面對游標混合電機進行解析法分析：

若只考慮基波影響，永磁體的磁動勢F可表示為：

（1）

式中，F為永磁體磁動勢，Fpm為磁動勢幅值，pm為永磁體基波的極對數，它由永磁體排列和磁化方向決定，θ為機械角度，θ0為磁動勢初始角度。

隨著轉子的運動，氣隙磁導么產生規律性變化，可表示為：

（2）

式中，?0為恒定值，?pr為pr次諧波氣隙磁導的幅值，ω為轉子角頻率。

在轉子轉動過程中，氣隙磁密Bpm可表示為：

（3）

式中，pr為轉子調制齒個數，pm為定子永磁體等效極對數。

4 結論

轉子轉動過程中，磁通密度第一項為定子上的永磁體產生的靜止 磁場；磁通密度第二項的代表一旋轉磁場，（pm-pr）的大小是旋轉磁場的極對數，如果它為正值，其方向與轉子旋轉方向相反，轉速大小是轉子轉速的pr/（pm-pr）倍；磁通密度第三項代表一旋轉磁場，（pm+pr）的大小是旋轉磁場的極對數，如果它為正值，其方向與轉子旋轉方向相反，轉速大小是轉子轉速的pr/（pm+pr）倍。

參考文獻：

[1]劉振亞.全球能源互聯網[M].中國電力出版社，2015.

[2]林鶴云，張洋，陽輝，房淑華，黃允凱.永磁游標電機的研究現狀與最新進展[J].中國電機工程學報.

[3]王秀和，孫雨萍.電機學（第二版）[M].北京：機械工業出版社.

作者簡介：崔智（1994-），男，遼寧營口人，碩士研究生，主要研究方向：電力系統及其自動化。