五相容错圆筒永磁直线电机的设计与分析

陆 震,刘平原,周华伟,刘国海

(1.江苏大学,镇江212013;2.苏州UL美华认证有限公司,苏州215000)

0 引 言

随着人们对环境问题关注度的日益提高,促使电动汽车的发展愈来愈快[1-3]。同时,汽车也逐渐向更小化,更高的重心和更少的尾气排放量的方向发展,对悬架系统性能的要求也随之增加[4]。传统的被动式悬架系统在轮胎与路面附着稳定性、承重能力以及乘客的乘坐舒适性方面存在相互矛盾和制约的缺陷,而相比于传统的被动式悬架系统,主动式悬架系统可以及时改变自身的动态性能以适应不同的道路状况,从而在不损失行驶性能的情况下提供更优越的响应和处理能力,提高侧倾稳定性和行驶安全性[5-6]。所以,作为主动式悬架系统的核心部件,直线电机也逐渐成为研究热点。

在文献[7-9]中,提出了许多可应用在悬架系统中的直线电机模型和拓扑结构。其中,相比于平板直线电机,圆筒永磁直线电机以其较高的永磁体利用率和无边端绕组影响而受到越来越多的关注。另外,表贴式永磁电机和内嵌式永磁电机相比有着诸多优点,比如反电动势波形和气隙磁密波形更加正弦、功率密度更大等[11]。所以,圆筒表贴式永磁直线电机更适合于性能要求更高的主动式汽车悬架系统中。

悬架系统中的任何一次故障都可能影响驾乘的舒适性、导致严重的事故甚至影响生命财产安全,所以,电机高可靠性对于直线电磁悬架系统尤为重要[12]。尽管许多圆筒表贴式永磁直线电机已经提出,但是还没有提出具有较好容错能力的拓扑结构,以实现在物理上和磁路上的隔离。所以,采用添加容错齿的新型设计理念来提高圆筒直线电机的容错能力能很好地解决该问题。

本文提出一种新型的五相容错式圆筒表贴式永磁直线电机,该电机不仅可以提供高推力,更低的推力脉动,同时拥有较好的容错性能,以保证电机的运行可靠性。首先,分析了该电机的拓扑结构,包括电机的主要设计参数和运行原理。其次,对电机的主要电磁性能进行有限元仿真分析,从而验证了该电机具有较好的电磁特性。

1 电机拓扑模型

1.1 电机结构

图1为本文提出的五相容错圆筒表贴式永磁直线(以下简称FTT-SPM)电机的3D结构模型图。可以看出,电机永磁体采用表贴式,并置于电机次级动子上,永磁体和次级动子均为环形形状并固定在非导磁支撑管上。电机采用分数槽集中绕组结构,初级定子槽数和次级动子永磁体极对数分别为20和9。电机采用单层集中绕组,即每个槽内只放置来自某一相的一套电枢绕组,且每相线圈由两套绕组组成。电机的主要设计参数的优化模型如图2所示,优化后的参数如表1所示。

图1 电机结构图

图2 电机主要参数优化模型

表1 样机的主要技术参数

FTT-SPM电机拓扑结构的关键是容错齿和单层集中分数槽绕组的引入,将容错齿和电枢齿交替排布使得初级定子相邻相绕组被完全隔离,即使当电机某一相发生故障时,剩余其他无故障相可以继续正常工作,从而提高电机的容错性能。

定子齿包括两部分:电枢齿和容错齿。电枢齿上缠有绕组,而容错齿上无绕组,起到阻隔磁路的作用,如图3(b)和图7(b)所示。图1中电枢齿和容错齿一样大,经过优化得到,当电枢齿和容错齿一样大时,反电势正弦度最好且幅值最大。所以,虽然电枢齿和容错齿看似没有区别,但其实两者作用不同。

1.2 绕组分布

相邻槽之间相差的电角度:

式中:ps为电枢绕组极对数;z为定子槽数。通过式(1)可求出电机的相邻槽相差的电角度为162°。另外,绕组极距y可以表示成:

通过式(1)和式(2)可求得FTT-SPM电机的绕组极距为1,即电机采用集中绕组连接方式。图3为电机分相示意图,其中图3(a)为电机槽电势星形图,图3(b)为绕组分相连接图。

图3 电机分相示意图

1.3 运行原理

根据磁阻最小原理,永磁体产生的磁力线总是经过磁阻最小的磁通路径。图4为电机动子在4个主要位置时的磁力线分布图。这4个位置的磁力线走势说明了FTT-SPM电机的运行原理。

图4 电机工作原理示意图

随着动子向左移动,由图4表示的动子在4个位置的磁力线分布图可以看出磁力线在A相绕组中的交链路径。首先,在位置A和位置C时,磁力线从动子永磁体内穿出,然后进入电枢齿中,最终又回到永磁体内部,没有在线圈绕组中形成交链,此时A相的总磁链为0。当动子移动到位置B时,磁力线从永磁体中穿出进入初级定子电枢齿中,与线圈绕组进行充分交链,此时A相磁链达到最大值。相反,当电机动子运动到位置D时,A相磁链达到反向最大值。所以,随着电机动子不断移动,线圈绕组中的磁链将周期性的变化。同时由于上述运行原理,将实现电机相与相之间的磁路解耦,从而提高电机的容错性能。

2 有限元分析

为了能够准确分析电机性能,本文对FTT-SPM电机进行了有限元分析。主要包括电机空载永磁磁链和空载反电动势、自感和互感、容错性能、定位力和推力等电磁特性。

2.1 空载磁链和反电动势

电机的空载永磁磁链波形如图5所示。可见,FTT-SPM电机的五相永磁磁链波形对称平衡,电机几乎不受边端效应的影响,从而保证了电机的其他性能。

图5 磁链波形图

式中:ψ代表电机的永磁磁链;v为电机动子的额定机械速度;x为动子的位移。图6为电机的空载反电动势波形图。可以看出,电机的空载反电动势波形不仅对称且正弦度高。

电机某一相的空载反电动势E可以表示:

图6 空载反电动势波形图

2.2 电感和容错性能

图7 电机磁力线分布图

图8 电感波形图

图7为电机永磁体和某一相线圈绕组单独作用时的磁力线分布图。从图7(b)可以看出,磁力线只从相邻的容错齿中穿过,而未通过相邻的电枢齿。容错齿的存在使得电机相与相之间实现了解耦,相邻两相的磁场被相互独立,提高了电机的容错性能,从而使得电机可以应用于可靠性要求较高的悬架系统中。

互感是表征电机相与相之间磁耦合程度的另一性能指标。电机互感足够小时,当电机的某一相发生故障,其他相不受影响而正常工作,从而保证电机的容错性能。图8为电机的自感互感波形。经计算可得电机互感自感比为1.4%。可见,电机各相在物理上、电场上、磁场上彻底地分离与独立,因此,FTT-SPM电机具有较好的容错性能。

2.3 定位力和推力

定位力是描述电机空载性能的重要参数。定位力越小,电机的效率越高,电机的性能越好。国内外学者已经提出了很多减小定位力的方法。其中,对电机定子长度进行优化以减小定位力是一种简单有效的方法。本文在保证电机极槽配比的情况下通过对电机边端齿的宽度进行优化,以改变电机定子的长度,从而减小定位力,具体优化模型如图9所示。图10为电机定位力在优化前和优化后的对比。电机定位力从80 N减小到30 N,可见,通过优化定子长度可以大幅减小定位力。

图9 定位力优化参数模型图

图10 优化前后定位力波形对比图

图11为电机额定推力的波形图。可以看出,电机具有较高的推力能力和较小的推力脉动。

图11 推力波形图

3 结 语

本文提出了一种用于主动悬架系统的新型五相容错圆筒表贴式永磁直线电机。该电机设计的关键是引入容错齿和单层集中分数槽绕组使电机相与相之间实现隔离,大大提高电机的容错性能。通过有限元分析软件对电机的主要电磁性能进行定性和定量分析,仿真分析结果表明本文提出的电机具有较高的反电动势正弦度、高推力密度以及较好的容错性能,同时运用简单有效的方法降低电机的定位力。

参考文献

[1] CHEN Q,LIU G,ZHAO W,et al.Design and comparison of two fault-tolerant interior-permanent-magnet motors[J].IEEE Transaction on Industry Electronics,2014,61(12):6615-6623.

[2] 邓秋玲,肖锋.盘式永磁同步电机在混合动力汽车中的应用[J].微特电机,2010,38(1):21-23.

[3] PATEL V I,WANG J,WANG W,et al.Six-phase fractional-slotper-pole-per-phase permanent-magnet machines with low space harmonics for electric vehicle application[J].IEEE Transaction on Industry Applications,2014,50(4):2554-2563.

[4] GYSEN B L J,JANSSEN J L G,PAULIDES J J H,et al.Design aspects of an active electromagnetic suspension system for automotive applications[J].IEEE Transaction on Industry Applications,2009,45(5):1589-1597.

[5] WANG J,WANG W,ATALLAH K.A linear permanent-magnet motor for active vehicle suspension[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2011,60(1):55-63.

[6] HAO L,DU H Y I,LIN H,et al.Design and analysis of PM fractional slot machine considering the fault operation[J].IEEE Transaction on Industry Applications,2014,50(1):234-243.

[7] 曹瑞武,程明,花为,等.磁路互补型模块化磁通切换永磁直线电机[J].中国电机工程学报,2011,31(6):58-65.

[8] 石玉君,吉敬华,赵文祥,等.一种新的容错型圆筒式永磁电机的优化设计[J].微特电机,2013,41(5):25-35.

[9] ZHAO W,ZHENG J,WANG J,et al.Design and analysis of a linear permanent-magnet vernier machine with improved force density[J].IEEE Transaction on Industry Electronics,2016,63(4):2072-2082.

[10] KOU B,LI L,ZHANG C.Analysis and optimization of thrust characteristics of tubular linear electromagnetic launcher for space-use[J].IEEE Transaction on Magnentics,2009,45(1):250-255.

[11] WANG K,ZHU Z Q,OMBACH G,et al.Electromagnetic performance of an 18-slot/10-pole fractional-slot surface-mounted permanent-magnet machine[J].IEEE Transaction on Industry Applications,2014,50(6):3685-3696.

[12] 吉敬华,孙玉坤,朱纪洪,等.新型定子永磁式容错电机的工作原理和性能分析[J].中国电机工程学报,2008,28(21):96-101.