双转子电机的定子固定装置的优化设计

郗珂庆，刘云涛，高俊丽，杨 光

(西安航天动力测控技术研究所，西安 710025)

0 引 言

双转子电机可以是有一个电输入端口，两个机械输出端口的电动机；也可以是有两个机械输入端口，一个电输出端口的发电机。这种电机可能的结构和运行方式多种多样，其应用前景和领域也非常广泛，如混合动力电动汽车、多种可再生能源联合发电等[1-2]。

异向旋转双转子永磁电机具有一个电输入端口和两个独立的机械输出端口，非常适合作为双螺旋桨水下航行器的推进电机[3]。它只有一组三相对称交流电馈电，不但巧妙地实现内外双转子的同速异向旋转，大大简化机械推进系统的结构，减小系统体积、降低系统重量和成本， 而且不用加变向双输出装置, 从电机本身就实现了异向同速的双机械量输出。但由于该种电机结构的特殊性, 需要定子固定装置来保证由硅钢片叠压而成的定子铁心是一个整体，同时保证外转子、定子和内转子的同心度。

本文主要从机械和电磁两方面分析定子固定装置对该种结构电机的影响。主要分析定子铁心紧固件材料、安放位置和应用定子固定装置与不用定子固定装置两种电机结构的配合方式对双转子永磁电机的机械和电磁的影响。

1 机械方面的影响分析

1.1 材料选取

由于定子铁心紧固件一方面起到定子硅钢片的轴向固定，另一方面影响定子铁心磁路结构。因此，定子铁心紧固件的材料选取尤为重要。一般制造紧固件常用碳钢材料[4]，若考虑降低电机的涡流损耗从而减少定子发热和增强紧固件的强度，可选取不导磁的不锈钢1Cr18Ni9Ti材料；但由于定子铁心紧固件是定子轭部磁路的一部分，从降低铁心饱和程度来考虑，可选取10号钢。

1.2 外转子-定子-内转子三者之间同心度保证

普通电机只有一个在定子铁心内侧的气隙，定子铁心可以在外侧通过激光焊接(微特电机)、扣片(小型电机)或者焊接紧固筋(中大型电机)将定子硅钢片的轴向紧固形成定子铁心。经轴向紧固后的定子铁心通常以铁心内孔为基准磨铁心外圆然后压入电机机壳内来进行固定，并且可以利用机壳两端和端盖的止口进行定位[5]。

双转子永磁电机的定子内侧和外侧都有齿槽和气隙，无法在定子外侧安装扣片或紧固筋定位，硅钢片不能和机壳直接相连，也无法利用机壳和端盖的止口来进行内外气隙的同心定位。因此，电机选择了定子固定装置这种机械结构实现上述两种功能。电机未采用定子固定装置结构如图1所示。

图1 DRRFPM结构

从图1可以看出，定子与端盖连接时仅仅靠螺丝的圆柱边同端盖的止口面配合，起到保证整个定子铁心的同轴度，这将远比普通电机的机座端盖止口面配合保证定子铁心同轴度的精度差得多。

为了保证内外转子和中间定子的同心度，在机械设计中，各个零件的机械结构设计时都应该考虑这个因素，尤其是定子固定装置同定子及前后端盖的连接配合又是实现电机同心度的关键要素。设计定子固定装置由定子铁心紧固件、定子压圈、异形连接座三部分组成，定子铁心紧固件从定子铁心的前后两侧对硅钢片和前后两端的压圈进行固定。通过设计异形连接座三处伸出部分两端加工止口，一端与定子铁心压圈的止口配合定位，另一端与端盖的止口配合定位，并用紧固件分别固定在一起。这样比定子同端盖连接时，仅仅靠定子铁心紧固件的圆柱边同端盖的止口面配合来保证整个电机的同心度提高了许多。

1.3 定子受力分析

定子的强度与刚度的机械计算是双转子电机的机械性能计算的重要部分，它将决定电机定子受力形变大小及电机所受单边磁拉力的大小，是电机稳定运行的关键。定子固定装置计算的重点为定子紧固件和异形连接座强度和刚度。除了材料自身影响外，还可以合理的设计定子紧固件和异形连接座机械结构来降低其所受应力。因此，设计定子固定装置时，为了降低其所受应力，需要做以下几方面结构上的改进：

(1)定子紧固件采用圆形结构: 定子紧固件的端部和定子紧固件档采用圆形结构, 这样比矩形更有效的提高此结构件的抗弯矩能力。

(2)定子靠近端盖止口: 尽量缩短异形连接座的轴向尺寸，使后端盖的止口面在不影响定子端部走线的前提下尽量靠近定子, 这样可以减少弯矩力臂, 从而降低了异形连接座所受弯矩的影响, 方便改善其载荷分布。

(3)增加异形连接座: 在定子紧固件两端所受的剪应力最大, 为了降低剪应力破坏能力, 同时因为定子紧固件需要套在定子铁心上, 因此在不影响电机电磁性能和遮盖齿槽的前提下, 尽量增加紧固件厚度, 提高它的机械强度；增加异形连接座与定子压圈止口配合(如图2止口配合1)长度和止口高度；增加异形连接座与端盖止口配合(如图2止口配合2)长度和止口高度；异形连接座支承部位设计有多筋结构，因为它同时承受着整个定子重量对它施加剪应力的影响。通过上面所述内容, 得出定子固定装置的三维图如图2所示。

图2 定子固定装置

对于该种电机定子铁心所承受的径向和切向电磁力及扭转情况可以不考虑，因为径向电磁力可以看作定子和转子为了减小气隙而相互吸引的拉力。而在电机设计时, 定子上的径向力由于对称的双转子结构被消除，理论上可使得机械拉力为零，但实际上数值也很小。另外, 内外转子作用在定子上的电磁转矩方向相反，不但使得定子上的切向磁拉力极大地减小而且使得定子受到的合成转矩较小, 有利于定子的紧固, 提高了机械稳定性。

1.4 定子固定装置受力仿真

通过软件对定子固定装置进行受力分析仿真，模型网格划分如图3所示，边界条件的设置，加载重力加速度的方向为y方向，加载大小为102 N，如图4所示；分析结果如图5和图6所示。

图3 模型网格划分

图4 边界条件设置

图5 受力方向的变形图

图6 等效应力图

通过图5可知，最大形变量位于模型最下侧，数值为0.1559 μm；通过图6可知，最大等效应力数值为15386 Pa，位于模型两侧，这符合静态平衡下的工况，满足设计要求。

2 电磁方面的影响分析

2.1 定子铁心磁场分布

本文以12极36槽双转子永磁电机为研究对象，定子内外两侧的绕组相序绕制异向，实现内外转子异向旋转[6]。利用仿真软件对双转子永磁电机建模仿真得到电机的磁力线分布(如图7所示)，从图中可以看出，轭部磁密曲线的空间位置分布和定子铁心的高慈密区和低磁密区，并且低磁密区有12处，因此定子铁心紧固件最多有12处可以安放。

图7 双转子永磁电机磁力线分布

2.2 对铁心饱和的影响

定子铁心紧固件的数量、大小不但影响双转子电机的机械性能, 而且影响到磁力线的走向, 占据了一定的磁路空间, 增加了部分区域的饱和程度， 而且位置不同, 对磁力线走向的影响也不同。

从图7中可以看出，双转子永磁电机高磁密和低磁密出现在固定区域, 并且定子铁心紧固件放在低磁密的物理区域时两者没有公用部分，即电机运行于该种情况时不会在定子铁心紧固件上产生涡流损耗或者产生很小的涡流损耗。相反, 定子铁心紧固件的位置改变将不同程度的影响到定子铁心的饱和程度。

3 结 语

双转子电机是否采用定子固定装置，定子固定装置中的定子铁心紧固件的材料选择及安放位置等对该种电机的机械性能, 电磁性能有非常重要的影响, 可以得出以下结论:

(1) 定子固定装置不但起到定子铁心的轴向紧固、定子固定，而且还起到外转子、定子、内转子的同心定位作用。

(2)定子铁心紧固件的材料应该选取强度比较高的, 比如不锈钢, 并且在不干涉齿槽及绕组接线的前提下, 最大限度的增加直径, 提高它的机械强度。

(3)定子固定装置承受着整个定子重量对它施加的剪应力影响，需要增加异形连接座与定子压圈和端盖止口配合长度和止口高度并且异形连接座支承部位应有补强措施。

(4)缩短异形连接座的轴向尺寸，使端盖的止口面在不影响定子端部走线的前提下尽量靠近定子, 可以降低异形连接座所受弯矩的影响，方便改善其载荷分布。

(5)定子铁心紧固件的安放位置不同将导致铁心不同程度的饱和。为了降低电机定子轭部磁密的局部饱和，定子铁心紧固件的位置需放置在低磁密的地方。