• 头条技术干货!低速大转矩永磁直驱电机的应用和科研动态
    2019-09-03 作者:鲍晓华、刘佶炜 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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    导语合肥工业大学电气与自动化工程学院、安徽皖南电机股份有限公司的研究人员鲍晓华、刘佶炜、孙跃、吴长江,在2019年第6期《电工技术学报》上撰文指出,低速大转矩永磁直驱电机替代传统的感应电机加机械减速机构的传动模式具有明显的优势,受到越来越广泛的关注。转矩密度是衡量低速大转矩直驱电机的关键指标之一,本文主要从结构特点、应用现状和科研进展等方面,介绍了真分数槽集中绕组永磁电机、永磁游标电机、永磁盘式电机、横向磁通电机和双定子/双转子电机等几类高转矩密度低速大转矩永磁直驱电机。概述了转矩脉动、气隙偏心故障、机械强度和温度场研究等的必要性和方法。基于研究现状展望未来发展方向,为实现高性能低速大转矩永磁直驱电机提供参考。

    1 真分数槽集中绕组永磁电机

    目前,国内外学者对真分数槽集中绕组的研究主要在绕组性能分析、新型控制和设计方法的创新等方面。真分数槽集中绕组的缺陷是增大了电感值,导致电机最大输出功率严重降低,因此多用于风力发电系统,而对电机过载能力要求较高的场合应用很少。

    沈阳工业大学研制一台用于精密数控机床的80极96槽低速大转矩永磁直驱电机,采用真分数槽集中绕组和不等厚定子齿宽相结合的结构设计。令宽齿的齿部宽度等于极距,集中式绕组的绕组节距即等于极距,短距系数为1,不等厚齿宽结构提高了电机的绕组系数和齿部磁通。

    有限元仿真和样机试验的结果表明,该电机与相同参数的等厚定子齿电机相比平均输出转矩提高了5.26%,提高了电机的过载能力和转矩密度,并且齿槽转矩仅为额定转矩的1.05%,性能满足精密数控机床的直驱要求。

    通过控制策略如电流谐波注入法,使集中绕组永磁同步电机实现最大转矩密度是目前热门的研究课题。

    2 磁齿轮永磁复合电机和永磁游标电机

    磁齿轮永磁复合电机的转矩密度比传统永磁电机提高80%,可以达到80~120kN·m/m3;永磁游标电机也具有结构紧凑、转矩密度高的特点,两类电机以优良的低速大转矩特性被广泛应用于发电设备、起重机械和船只驱动等系统。

    两类电机特别是磁齿轮永磁复合电机结构复杂,生产加工难度大,限制了其发展应用。另外,磁场调制作用利用定子中有效谐波磁场传递转矩和能量,存在功率因数和效率偏低的缺点。因此,拓扑结构和设计理论的创新仍是发展的趋势。

    用定子齿实现调磁环的作用能简化机械结构,在传统磁齿轮结构的基础上,文献[32]中提出一种新型同轴磁齿轮永磁无刷直驱电机。电机的定子齿即为调磁齿,外转子的极靴也起到磁场调制的作用,此时电机可看作是定子与外转子构成的游标电机和定子与内转子构成的永磁无刷电机的合成。

    由于磁齿轮的作用,外转子的转速为120r/min,并且输出转矩等于两部分转矩的叠加。此外,外转子的4次谐波磁动势感生的感应电压补偿了相电压与电流之间的相位差,该电机有0.95的高功率因数。

    双边永磁体励磁电机也是一类结构较为简单的磁场调制型电机。文献[47]中提出的电机拓扑如图4所示,定子齿部和转子轭部各插入一组永磁体,由于双向磁场调制效应,电枢绕组激励的磁场和两组永磁体激励的磁场都有效耦合。双边永磁体励磁电机比磁齿轮永磁复合电机结构简单,两组永磁体使其转矩密度高于普通永磁游标电机。

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    图4 双边永磁体励磁电机

    聚磁效应能够改善气隙磁通密度使电机磁负荷提高。程明教授提出一种应用于风力发电的新型聚磁式永磁游标电机,其结构如图5所示,该电机转速为214r/min,采用轮辐式永磁体结构的外转子设计,定子槽的开口设计使空间利用率提高。通过有限元分析和样机试验,验证了该电机转矩密度高、外特性硬的优点。

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    图5 聚磁式永磁游标电机

    3 永磁盘式电机

    永磁盘式电机以其高转矩密度、高效率、结构紧凑等优点,在车用电机、家用电器、发电设备等领域有广泛的应用前景。目前,学者对永磁盘式电机拓扑结构和设计理论的优化进行探究,以进一步提升电机性能。

    印制电路板(Printed Circuit Board, PCB)定子绕组具有机械强度和加工精度高的优势,并且简化了电机结构,被越来越多地应用于永磁盘式电机。Sanjida Moury提出一种采用PCB定子绕组的新型永磁盘式发电机,转速为72r/min柔性PCB绕组线圈呈楔形缠绕。该电机消除了集电环,并且具有效率高、零铁耗、零齿槽转矩等优点,成为船舶用直驱式海流发电机的良好选择。

    Metin Aydin提出一种新型无铁心永磁盘式电机如图6所示,采用轮辐式分瓣转子,结合内置式磁路结构和可调节气隙,反电动势波形近似正弦波。与常规表贴式永磁盘式电机相比,该电机具有更高的气隙磁通密度和转矩密度。

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    图6 轮辐式无铁心轴向磁通电机的正弦分段转子

    日本学者Takeo Ishikawa提出一种兼有轴向磁通和径向磁通的混合磁通永磁发电机,在相同电机外径、轴向长度、永磁体用量和极对数的条件下,效率更高,功率密度达到219kW/m3,为商业化产品的9.4倍。

    不使用昂贵的功率变换器,为使发电机在不同风速下保持输出电压恒定,有印度学者针对永磁盘式发电机提出一种新方法,采用多组定子绕组设计,并根据风速改变绕组的连接方式,样机的转速为300r/min。该方法有效实现电机恒压输出,使电机获得更宽的工作范围(额定转速的25%~125%),并且在低风速时能量转换效率大大提升。

    4 横向磁通电机

    横向磁通电机解决了传统电机定子齿部和定子槽之间的相互约束,具有更高的转矩密度,绕组结构简单。近年来,在船只推进、新能源汽车和风力发电等场合,已有尝试性应用。横向磁通电机存在功率因数偏低、漏磁较大、结构工艺复杂和生产成本高等缺点,为解决上述问题,国内外学者对电机拓扑的改进和优化做了大量尝试。

    聚磁式结构能够提高永磁体利用率,在横向磁通电机中也有广泛应用。文献[34]中提出一种聚磁式发电机如图7所示,内外定子的齿部交错排布,每相有两套绕组,提升了电机气隙磁通密度和结构紧凑性,有利于转矩密度提高。

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    图7 聚磁式横向磁通永磁盘式发电机

    文献[56]提出将横向磁通电机的上下凸极转子错开半个极距,并且用环形铁心连接。这种结构保证了永磁体始终存在有效的磁路,相邻极间漏磁大大减少。有限元仿真结果表明,电机的永磁体利用率比原有结构提高近一倍。

    寇宝泉教授指出,横向磁通永磁同步电机转矩密度比横向磁通磁阻电机的更高,但前者结构复杂,永磁体用量大。为节约成本提出一种新型结构,永磁体和电枢绕组均安装在定子侧,转子仅是铁心。制造转速为125r/min的样机,经过有限元仿真和试验验证,新型结构的转矩密度(8.22kN·m/m3)降低24%,但是永磁体用量仅为传统横向磁通永磁同步电机的33%,永磁体利用率提高,满足实际应用需求。

    5 双定子/双转子电机

    凭借结构优势,双定子/双转子电机受到很多学者青睐,在风力发电、新能源汽车、精密机器人等应用领域发展很快。双定子/双转子电机的缺点是结构复杂,存在两个气隙,内外电机之间存在磁耦合,增加了设计与仿真分析的复杂度。

    文献[61]中基于等效磁路和有限元法,对一种用于电动汽车的双转子五相永磁同步电机的电磁特性进行研究。分析了极槽配合、永磁体磁化类型、电枢反应、定子轭部厚度、绕组结构等因素对电机磁耦合的影响,进而给出磁解耦设计方法,对其他结构双定子/双转子电机的分析、设计具有借鉴意义。

    近几年,许多国内外学者将两种或多种类型的电机相结合进行拓扑创新,扬长避短并充分发挥出各种电机结构优势。双定子/双转子电机的结构特点非常适合永磁盘式电机、横向磁通电机、开关磁阻电机等相结合。文献[62]提出一种新型轮辐式双定子轴向磁通永磁游标电机,提高了电机的转矩密度(达38kN·m/m3),改善了功率因数(0.89),转速为300r/min,在风力发电、电动汽车等低速大转矩直驱系统有良好的应用前景。

    文献[63]中结合分数槽集中绕组和游标电机的优点,提出一种新型双定子低速大转矩永磁直驱电机如图8所示,转速为270r/min。外定子采用分数槽集中绕组,减少槽数和定子轭部厚度;内定子采用游标结构以减少定子槽数。该结构进一步发挥双定子电机的结构优势,提高了转矩密度(达50kN·m/m3),并且有效削弱了齿槽转矩。

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    图8 新型双定子永磁直驱电机

    (摘编自《电工技术学报》,原文标题为“低速大转矩永磁直驱电机研究综述与展望”,作者为鲍晓华、刘佶炜等。)低速大转矩永磁直驱电机研究综述与展望

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