厨师机用新型永磁游标直驱电机的研究与设计

胡 磊，许平建，赵佳峰，吴凤海，朱婉婉

(惠而浦(中国)股份有限公司，合肥 230088)

0 引 言

厨师机是一种具有和面，打蛋，绞肉，果蔬榨汁等功能的厨电电器。传统的厨师机是将电机产生的动力通过一个传动机构传递给工作区的搅拌机构，常见的厨师机的结构模型，其前端可以是一个高速运行但力矩较低的串激电机，通过一个减速机构将前端的高速低力矩转换为后端的低速大力矩。这个减速机构组成的传动系统通常为皮带传动或者齿轮传动。显然，这种皮带或齿轮传动系统不但造成厨师机体积大，能量传递过程中伴有损失，而且会产生振动噪音。此外，齿轮或皮带传动结构复杂，往往需要涂抹润滑油，不仅对后期维修造成麻烦，而且也不利于食品卫生。厨师机采用串激电机作为驱动电机，采用多个齿轮作为传动机构，而且在齿轮间涂抹大量润滑油。

针对现有的厨师机存在的缺陷，如果能够将齿轮箱这种传动机构去除，使得电机能够直接去驱动厨师机的搅拌器，将整个系统做成直驱系统。显然，用于该直驱系统的电机是一种具有较高转矩密度的低速大转矩电机。现有的低速大转矩电机常见的有轴向磁通电机，磁齿轮电机，双定/转子电机，以及永磁游标电机等[1]。考虑到厨师机机械结构以及加工难度，本文设计了一款8/36/28的新型永磁游标电机(即定子极对数为8，调磁极数为36，转子极对数为28)，仿真研究了电机的空载磁场、空载反电动势、齿槽转矩、空载损耗；电机负载下的电磁转矩、效率Map、转矩Map等。仿真研究结果表明该电机可以达到设计要求，为样机制作提供依据。

1 永磁游标电机原理

可以作为一种低速大转矩电机的永磁游标电机是当前研究的热点，它是一种和磁齿轮，磁齿轮电机有相似工作原理的新型磁场调制型电机[2-4]。在永磁游标电机中，将磁齿轮的高速旋转的磁钢用通三相交流电产生旋转磁场的定子代替，将磁齿轮或磁齿轮电机可以旋转的调磁极固定在定子铁心上。定子侧励磁产生的极数少但旋转速度快的磁场通过调磁极产生极数高但旋转速度慢的谐波磁场，当该谐波磁场的极数与转子侧的磁钢的极数相等时，即可产生恒定的电磁转矩[5]。永磁游标电机定子侧的极对数与调磁极数以及转子侧的极对数需满足公式[6-7]：

P1=|mP2+nP3|

(1)

式中，m=1、3、5、…，n=0、±1、±2、…,P1为转子侧极对数，P2为定子侧电枢磁场极对数，P3为调磁极数。当m=1，n=-1时，定子侧的电枢励磁磁场经过调制极的调制后可以在转子侧产生幅值最大的谐波磁场。永磁游标电机的内外磁场的传动比公式为

G=-P1/P2

(2)

由于定子侧和转子侧的转速不相同，因此游标电机具有变转速功能，其传动比为外内极对数之比。该公式同时也反映了游标电机还具有转速反向的功能。

2 电机主要参数确定

受制于厨师机的使用空间，以及考虑到结构安装方便和美观要求，将电机设计成外径140mm，轴长60mm的内转子电机。图1为所设计电机的二维模型图和三维模型图。其主要设计参数如表1所示。电机的定子为18槽分裂极结构，每个齿上有两个极共36个极。定子齿上极与极之间放置钕铁硼磁钢，用于增强电机气隙磁密，而相邻齿之间为空气。钕铁硼磁钢的磁导率和空气接近，因此整个电机气隙侧与定子励磁线圈之间构成了齿极-磁钢-齿极-空气-齿极的调磁环。不同于磁齿轮电机的调磁环可以旋转，该游标电机的调磁环固定在定子铁心上，因此是一种单气隙旋转装置。转子上内表贴28块径向充磁的钕铁硼磁钢。考虑到内转子电机温升较高，对磁钢性能的影响较大，如果温度过高会导致磁钢的退磁，因此定转子磁钢都选用最高工作温度能达到150℃的烧结钕铁硼35SH。

图1 8/36/28结构永磁游标电机模型

表1 永磁游标电机主要设计参数

3 空载电磁性能分析

3.1 空载磁场

图2为8/36/28结构的永磁游标电机的转子在不同角度下的空载磁力线图。仿真结果可以看出，虽然转子侧有56极的磁力闭合线，但是经过定子齿上36块齿极的磁场调制作用，在定子侧的铁心上只有16极的磁力闭合线，因此其定子侧可以看成是18槽16极的普通永磁同步电机。根据式(2)可以得出，8/36/28永磁游标电机的内外磁场的转速比为7∶2，因此当转子每转过一对磁极时，其定子侧的磁场则转过45°。图3分别为该游标电机的空载磁密云图和气隙磁密图。由于硅钢片随着磁场强度的增加，其磁感应强度会出现饱和现象，因此对于电机磁路尺寸的设计要保证齿宽，磁轭等关键位置的磁密应在硅钢片BH曲线的膝点以下。

图2 转子不同角度下的空载磁力线

图3 空载磁密云图和气隙磁密

3.2 空载反电动势

将固定在转子上的永磁体进行旋转，旋转的永磁体产生的旋转磁场链过固定在定子铁心上的线圈会感应出电压，称之为反电动势。图4为本文所设计的永磁游标电机在100 r/min下的空载反电动势以及其谐波分析。对于永磁同步电机来说，反电动势的正弦度越高越有利于电机的转矩恒定，可以降低电机的转速波动[8]。仿真结果表明，该电机的槽型及磁钢的极弧设计使得相反电动势含有极低的高次谐波。此外，从仿真结果中也可以看出，电机三相反电动势的相序为ACB而不是ABC，验证了该类型永磁游标电机具有转速反相的功能。

图4 100 r/min下空载反电动势及谐波分析

本文所设计的游标电机在定子齿上的两极处安装有磁钢，一方面该磁钢可以充当调磁环的不导磁部分，另一方面可以增加电机的气隙磁密。此外，传统的永磁电机反电动势来源于固定在转子上进行旋转的永磁体，而永磁游标电机转子上没有永磁体也可以在线圈上感应出反电动势。图5为本文所设计的永磁游标电机在定转子上都有磁钢，只有转子有磁钢以及只有定子有磁钢3种情况下的B相反电动势对比图。仿真结果表明，定转子上都放置磁钢，相较于只有转子有磁钢的情况反电动势提高了54%，相较于只有定子有磁钢的情况反电动势提高了182%，即在现有的体积下大幅提高了电机的转矩密度。转子上没有磁钢也可以在线圈中感应出反电动势，其与只有转子有磁钢情况下的反电动势的叠加接近定转子都有磁钢下的反电动势值。

图5 不同磁钢配合下的相反电动势对比

3.3 齿槽转矩

齿槽转矩来自于永磁电机的定转子铁心开槽，在永磁体旋转的过程中，造成电机气隙磁场储能的变化从而产生力矩。齿槽转矩是来自于电机本体设计中产生的固有特性。文献[9]对齿槽转矩进行深入研究指出齿槽转矩在定转子每个齿距变化下是周期性的，并给出了不斜槽下的齿槽转矩的理论计算公式:

(3)

式中,L为铁心轴长，R1和R2分别为转子外半径和定子内半径，n为使nz/2p为整数的整数。

图6为本文所设计的游标电机在定转子都有磁钢，只有定子有磁钢，只有转子有磁钢三种情况下的齿槽转矩仿真结果。可以看出，虽然定转子都放置磁钢可以提高电机的反电动势，但也使得齿槽转矩相对增大。在定转子都有磁钢的情况下，齿槽转矩峰峰值为369 mNm，对于这种低速大力矩输出调速场合，齿槽转矩较小。

3.4 空载损耗

经典的永磁电机理论认为电机的铁耗主要来自于硅钢片的磁滞损耗，涡流损耗以及附加损耗[10]。这些损耗大小与电机所用硅钢片的厚度，硅钢片的表面镀层，电流的频率，铁心磁密等息息相关。此外钕铁硼磁钢在交变磁场中也会有涡流损耗。基于成本和温升考虑，本设计所用的硅钢牌号为50W1300，钕铁硼牌号为35SH。图7为本文所设计的电机在不同转速下的空载损耗及磁钢上的涡流损耗。

图6 不同磁钢配合下的齿槽转矩对比

图7 不同转速下的损耗

4 负载电磁分析

厨师机执行机构的转速区间通常在几十到200多转每分钟，随着转速的增加，负载转矩从二十牛米左右降到几牛米。基于此，本文所设计的永磁游标直驱电机期望的输出电磁转矩达到20 Nm，工作转速区间从20到250RPM。图8和图9分别为本文所设计的游标电机在不同电流下的磁密云图和输出电磁转矩曲线图。由于该类型游标电机具有转速反向功能，因此仿真结果中的转矩为负数。

图8 不同电流下的磁密云图

图9 不同电流下的输出电磁转矩

钕铁硼磁钢剩磁具有负温度特性，即随着钕铁硼磁钢温度的升高，其剩磁不断降低，反应在电参数上就是反电动势的降低，从而造成所设计电机的转矩系数的降低。因此，所设计的电机在常温下应具有一定的过载能力。此外，随着转矩电流的增加，电机定子的齿极和转子齿部逐渐趋于饱和，造成在高转矩的时候转矩波动加大。在采用Id=0控制方式下，当电流加到4.5 A时，电机的输出转矩达到25 Nm，超过所期望的转矩输出要求。图10为所设计的永磁游标电机在最大电流5 A，转速300 r/min以内，使用MTPA控制下的转矩和效率仿真Map图。从仿真结果中可以看出，该电机的转折转速在250 r/min左右，在恒转矩区其最大转矩远超20 Nm，电机效率达到85%以上。

图10 MTPA控制下的仿真Map

5 结 语

本文将现有的厨师机使用高速低转矩电机-减速机构-执行机构的动能传递模式变换为低速大转矩电机-执行机构的动能传递模式，其中低速大转矩电机采用的是集中绕组多齿分裂极游标电机，这种直驱系统可以降低厨师机体积，提高系统的传递效率，增加系统的可靠性。所设计的8/36/28永磁游标电机，定子部分可以认为是18槽16极的普通永磁同步电机，固定在定子铁心上调磁极数为36，转子部分的永磁体极对数为28，分别对其空载工况和负载工况进行电磁性能分析，仿真结果表明：永磁游标电机具有反向变速功能；定转子铁心都设计成有磁钢的方式，相较于只有定子有磁钢和只有转子有磁钢可以大幅提高所设计电机的反电动势，而且反电动势波形的正弦度好，谐波含量低；所设计电机的齿槽转矩较低；转矩Map和效率Map表明所设计电机具有一定的转矩过载能力和高效率，能够达到厨师机电机所期望的力矩输出。