內(nèi)置式低速大轉(zhuǎn)矩永磁輪轂電機的設(shè)計研究
宮海龍，柴鳳，程樹康
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，哈爾濱150001）
摘要：針對應(yīng)用于車輛自重較大場合的低速大轉(zhuǎn)矩永磁輪轂電機，給出了轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)、電樞繞組形式以及極槽配合的選用原則，采用分數(shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)可以削弱諧波電動勢的影響，提高端部空間利用率和降低齒槽轉(zhuǎn)矩。設(shè)計一臺12槽10極內(nèi)置徑向式永磁同步輪轂電機，采用有限元法對漏磁、氣隙以及極弧系數(shù)等影響因素進行研究，以提高電機的輸出性能。對樣機進行了計算和實驗測試，計算結(jié)果與實驗結(jié)果相符，表明了設(shè)計分析的正確性。
關(guān)鍵詞：永磁輪轂電機；集中繞組；低速大轉(zhuǎn)矩；空載反電勢；漏磁系數(shù)
中圖分類號：tm351, tm341 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848( 2010) 02-0001-04
0引言
本文以應(yīng)用于車輛自重較大場合的低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步輪轂電機為背景，對電驅(qū)動用永磁輪轂電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計等相關(guān)問題進行了研究。設(shè)計了一臺額定轉(zhuǎn)速為500 r/min．額定功率為50 kw的低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步輪轂電機，對其進行了有限元計算，研究漏磁、極弧系數(shù)等主要參數(shù)的設(shè)計對電機性能的影響，試制樣機并進行了相關(guān)實驗測試。
1低速大轉(zhuǎn)矩永磁輪轂電機結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.1 轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)形式的選擇
在永磁同步電機中，轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)根據(jù)永磁體安裝位置主要可以分為表面式和內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，按永磁體磁化方向則可分為徑向式和切向式結(jié)構(gòu)，其基本形式如圖l所示。在圖1所示轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子由磁路結(jié)構(gòu)的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有助于提高過載能力，而且易于弱磁擴速，這在恒功率運行時很有用。在內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，徑向式與切向式結(jié)構(gòu)相比具有較小的漏磁系數(shù)，隔磁措施簡單且機械強度高；在相同磁化方向長度下，徑向式結(jié)構(gòu)的直軸電樞反應(yīng)磁路相對于切向式結(jié)構(gòu)可具有較小的直軸電抗，有利于提高電機輸出轉(zhuǎn)矩。直軸電樞反應(yīng)磁通路徑如圖1(b)、圖l(c)所示。對于具有較大自重的車輛為實現(xiàn)其加速性能與過載能力，以及提高轉(zhuǎn)子的機械強度及可靠性，選用內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)較為合適。
對于低速電機而言，為降低電機的同步轉(zhuǎn)速，在設(shè)計上宜采用多極結(jié)構(gòu)。并且，合適的多極結(jié)構(gòu)可以提供更多的有效磁通，可降低輪轂電機的額定電流，提高電機的效率；同時也有利于延長電池的延長工作時間，降低對控制器容量的要求。但極數(shù)并不是越多越好，有時過多的極數(shù)會使得極間漏磁大幅增加，永磁體利用率過低，以致電機達不到性能要求。綜合上述因素，本文設(shè)計的電機轉(zhuǎn)子磁極選擇10極內(nèi)置徑向式結(jié)構(gòu)。
1。2電樞繞組形式的選擇
電樞繞組形式的選擇主要是依據(jù)輪轂電機的性能要求以及輪轂空間結(jié)構(gòu)詠確定。由于電機同步轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)子為多極結(jié)構(gòu)，若選用整數(shù)槽繞組，則定子需要數(shù)目較多的槽，這樣一方面較多的槽數(shù)降低了槽的利用率，另一方面由于繞組端部跨距較大，使得端部空間不能有效利用，不利于提高電機的輸出轉(zhuǎn)矩。為解決低速電機中極對數(shù)較多而槽數(shù)有限的矛盾，一般多采用分數(shù)槽繞組形式，這樣可以利用分數(shù)槽繞組的等效分布作用和對齒諧波電動勢的削弱作用改善電勢波形和提高繞組利用率[3]。特別是分數(shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)對提高電機的端都空間利用具有明顯的優(yōu)勢。因此，本文設(shè)計的低速大扭矩輪轂電機采用分數(shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)。采用分數(shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)主要具有以下優(yōu)點：
(1)可有效削弱高次諧波電動勢，特別是齒諧波電動勢，有利于改善感應(yīng)電動勢波形。由于每極每相槽數(shù)q為分數(shù)，所以齒諧波的次數(shù)一般都是分數(shù)或偶數(shù)，而轉(zhuǎn)子主極磁場中僅含有奇次諧波，從而避免了電動勢波形中出現(xiàn)齒諧波電動勢。并且，由于雙層集中繞組與單層集中繞組相比一般含有較少的磁勢諧波，因此采用雙層集中繞組結(jié)構(gòu)。
(2)由于每個線圈只纏繞一個電樞齒，減小了線圈長度并縮短了端部繞組伸出長度，降低了用銅量并提高了端部空間利用率，同時較少的槽數(shù)有利于提高槽的利用率。
|
