韋立學(xué)，陳世元，郭建龍(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州510640)

   摘要：提出了一種新型結(jié)構(gòu)的輪轂外轉(zhuǎn)子雙凸極永磁電機(jī)(DsPM電動(dòng)機(jī))，并以5 kw電動(dòng)機(jī)為例給出了其基本尺寸方案。基于Vc++開(kāi)發(fā)的有限元程序?qū)﹄姍C(jī)空載、負(fù)載時(shí)的磁場(chǎng)和氣隙磁密分布進(jìn)行了深入的分析計(jì)算。分析了永磁體磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)之間的相互耦合作用對(duì)氣隙磁密的影響，所得結(jié)果為該電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、性能分析以及運(yùn)行控制提供了依據(jù)。
    關(guān)鍵詞：雙凸極；永磁電動(dòng)機(jī)；輪轂電動(dòng)機(jī)；有限元法

   0  引  言

    雙凸極永磁電機(jī)(Doubly salient PennanentMagnet M0tor，簡(jiǎn)稱DsPM)是在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(sRM)基礎(chǔ)上于90年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型高效電機(jī)，同sR電機(jī)一樣具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固、容錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且具有比sR電機(jī)更高的效率。雙凸極電機(jī)的結(jié)構(gòu)與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)十分類似，呈雙凸極，但在定子(或轉(zhuǎn)子)內(nèi)嵌有高性能永磁體。DsPM電磁原理和結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，但磁路周期性變化并存在嚴(yán)重的局部飽和，采用傳統(tǒng)的等效磁路方法分析會(huì)帶來(lái)較大的誤差。為保證計(jì)算的準(zhǔn)確，一般采用有限元法對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。文中使用自編有限元程序?qū)σ环N外轉(zhuǎn)子8／12極雙凸極永磁輪轂電機(jī)進(jìn)行了二維有限元分析。
    1  電機(jī)結(jié)構(gòu)

   根據(jù)桑塔那2000時(shí)代超人汽車的后輪輪轂的結(jié)構(gòu)和尺寸大小確定本文電機(jī)的結(jié)構(gòu)和尺寸如表1所示。電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖l所示。定子為12極，轉(zhuǎn)子為8極。定子空間相對(duì)的4個(gè)極串聯(lián)的繞組為一相。圖中只標(biāo)出A相繞組(陰影部)。在該電機(jī)的定子上放有4塊永磁鐵。永磁鐵采用燒結(jié)釹鐵硼280／135，電阻率為150μΩ·cm，磁鐵剩磁磁密為1．18 T，磁鐵矯頑力為1 350 kA／m。硅鋼片采用冷軋無(wú)取向Dw540150(通過(guò)文獻(xiàn)[1]可以得到永磁鐵的退磁曲線和硅鋼片的直流磁化曲線)。每相繞組串聯(lián)匝數(shù)為20匝，每相繞組電阻為2．0 Ω。定子固定軸采用磁導(dǎo)率非常低的材料做成，磁導(dǎo)率接近空氣磁導(dǎo)率。

    根據(jù)DSPM的結(jié)構(gòu)和尺寸，電磁參數(shù)如下：額定相電壓u=240 V，額定線電流，=12 A，額定功率P=5 kW，額定轉(zhuǎn)矩T=12 N·m，額定轉(zhuǎn)速n=4 000 r／mln．

     2有限元分析

    2．1基本假設(shè)根據(jù)雙凸極永磁電機(jī)特點(diǎn)做如下假設(shè)：①不考慮鐵磁材料的鐵心損耗；②電機(jī)軸向?yàn)闊o(wú)限長(zhǎng)，忽略邊緣效應(yīng)；③電機(jī)外緣漏磁場(chǎng)忽略不計(jì)；④忽略位移電流。
    2．2  電磁場(chǎng)分析的數(shù)學(xué)模型和邊界條件電機(jī)求解區(qū)域

    如圖l所示。在求解區(qū)域內(nèi)向量磁位A滿足二維非線性泊松方程式中：v為磁阻率，J為電流密度。
    空載時(shí)電機(jī)電樞繞組不通電，電機(jī)磁場(chǎng)是由****磁鋼建立的。把****磁鋼等效為面電流密度Jpm表示，所以J=Jpm負(fù)載時(shí)電機(jī)磁場(chǎng)由永磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)共同建立，此時(shí)J=Jpm+JC(JC為電樞繞組的電流密度)。電樞磁場(chǎng)單獨(dú)作用時(shí)，整個(gè)電機(jī)磁場(chǎng)完全由電樞繞組產(chǎn)生，J=JC在分析中，載荷時(shí)電流密度取A／mm。。在電機(jī)外轉(zhuǎn)子外邊界上向量磁位滿足A=O的邊界條件。
    2．3網(wǎng)格剖分

    本文采用Matlab對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行剖分。為了便于說(shuō)明轉(zhuǎn)子位置，定義轉(zhuǎn)子槽中心線與定子槽中心線重合的位置為O°。為求得完整的靜態(tài)特性，需計(jì)算一個(gè)轉(zhuǎn)子齒距，即O°～45°范圍內(nèi)不同轉(zhuǎn)子位置的磁場(chǎng)，故要多次剖分。為減少計(jì)算量，本文每隔5°剖分一次。剖分前首先把材料屬性和單元類型分配給幾何模型中對(duì)應(yīng)的各個(gè)區(qū)域，然后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分。電機(jī)整體剖分圖如圖3所示。Matlab把剖分所得到的結(jié)果分別存在p、e、t三個(gè)矩陣中，形成三個(gè)M文件。利用Matlab對(duì)電機(jī)進(jìn)行剖分，不但剖分質(zhì)量好，而且還可以減少程序開(kāi)發(fā)的時(shí)間。

    2．4有限元計(jì)算

    現(xiàn)在市面上雖然有很多有限元計(jì)算的軟件，如：Ansys、Ansoft Maxwell等，但是后處理的能力有限。所以計(jì)算和后處理部分采用自編的Vc++程序進(jìn)行。實(shí)現(xiàn)方法是把剖分所形成的三個(gè)M文件移植到VC++有限元計(jì)算程序中進(jìn)行計(jì)算和后處理。圖3為有限元計(jì)算程序的流程圖。
    根據(jù)以上程序框圖所實(shí)現(xiàn)的程序，初取電樞電流Ia=12 A，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=11．8 N·m，轉(zhuǎn)速n=4 000 r／min，相電壓μ=240 V，飽和迭代步長(zhǎng)取0．75，外二層迭代步長(zhǎng)取為0．85，飽和迭代誤差取為O．001，外二層迭代精度都取為O．02。
    這樣通過(guò)程序的三層迭代調(diào)整計(jì)算，最后三層同時(shí)滿足迭代精度時(shí)從里到外各層的迭代次數(shù)依次為8、l、57，共耗時(shí)14小時(shí)左右(計(jì)算時(shí)采用的是周期邊界條件而不是整個(gè)圓截面。若用后者，三層迭代各進(jìn)行一次都要用7小時(shí)左右，若要讓程序三層迭代完全滿足精度自動(dòng)退出，在普通計(jì)算機(jī)上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的)。核算完成后得到以下參數(shù)值如表2。  

 2．5結(jié)果分析

     在二維場(chǎng)中磁力線就是等A線。圖4、圖5、圖6是轉(zhuǎn)子在0°時(shí)的磁場(chǎng)圖。圖4為磁鋼單獨(dú)作用時(shí)的場(chǎng)圖。圖5為電樞電流單獨(dú)作用時(shí)的場(chǎng)圖。
    圖6為磁鋼和電樞電流共同作用時(shí)的場(chǎng)圖。由這3個(gè)圖中可以看到電機(jī)在實(shí)際工作中的氣隙磁場(chǎng)主要是由磁鋼所產(chǎn)生的。圖7為轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蛐�轉(zhuǎn)10。時(shí)的場(chǎng)圖。圖8為轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蛐�轉(zhuǎn)10°時(shí)的氣隙中心線的磁密分布圖。從圖6、圖7和圖8中可以得到，當(dāng)繞組中通過(guò)電流時(shí)，繞組電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)和永磁磁場(chǎng)合成的結(jié)果是使永磁體的一邊的磁場(chǎng)增強(qiáng)，另一邊的磁場(chǎng)減弱，增強(qiáng)和減弱取決于繞組電流的方向。所以繞組電流作用的結(jié)果，使轉(zhuǎn)子向磁場(chǎng)增強(qiáng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)三相繞組通入一定規(guī)律的電流，就能使電機(jī)連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)。由此還可以看出，電樞磁場(chǎng)不改變永磁磁場(chǎng)的大小，只是改變了永磁磁場(chǎng)的流向。

    3結(jié)語(yǔ)

本文給出了一種新型外轉(zhuǎn)子雙凸極永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)和尺寸。在Vcc++軟件平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了一套對(duì)該種電機(jī)進(jìn)行有限元計(jì)算分析的程序。從場(chǎng)的角度分析永磁體磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)之間的相互耦合作用對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響，直觀論證得出了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的基本機(jī)理。所得結(jié)果在結(jié)構(gòu)和電機(jī)運(yùn)行原理上都是對(duì)汽車用輪轂電機(jī)的一種新的探索，同時(shí)也為該電機(jī)運(yùn)行原理的進(jìn)一步分析和電機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)平臺(tái)，可以作為進(jìn)一步工作的依據(jù)。