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山东大学徐衍亮团队特稿：盘式横向磁通永磁无刷电机的新结构

团队介绍
山东大学徐衍亮团队特稿：盘式横向磁通永磁无刷电机的新结构
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【山东大学徐衍亮团队特稿：盘式横向磁通永磁无刷电机的新结构】徐衍亮 ， 山东大学教授 ， 博士生导师 ， 博士 ， 微电机编委 ， IJAEM编委 ， 中国电工技术学会直线电机专委会委员 。 研究方向永磁电机及特种电机的设计及控制、电动汽车电驱动系统研究、磁悬浮轴承的设计及控制 。
作为负责人或主研参与50余项科研项目的研究 ， 包括国家自然科学基金项目、国家863计划项目、山东省科技重大专项（新兴产业）、山东省2017年重点研发计划等 。 在IEEETransaction、IET、中国电机工程学报、电工技术学报等国内外学术刊物发表学术论文60余篇 ， 已授权发明专利12项 。
山东大学徐衍亮团队特稿：盘式横向磁通永磁无刷电机的新结构
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崔波 ， 山东大学硕士研究生 ， 研究方向为永磁同步电机矢量控制技术 。 曾参与包含国家自然科学基金、国家863计划项目、山东省重点研发计划项目在内的科研项目6项 ， 发表论文5篇 。 目前就职于国网山东省电力公司临沂供电公司 。
导语
盘式横向磁通电机（DTFM）电磁负荷相互解耦 ， 功率密度高 ， 轴向长度短 ， 具有很好的应用前景 。 本文基于DTFM的原理特点以及软磁复合材料（SMC）和叠片硅钢材料（Si-Steel）两者间铁磁性能的互补性 ， 提出SMC和Si-Steel组合（SMC-Si）铁心DTFM 。
该种电机主要采用SMC定子齿和Si-Steel定子轭组合方式 ， 可以充分利用SMC材料和Si-Steel材料的优势 ， 避免或削弱其缺点 ， 提高DTFM的性能 ， 同时提高了电机的机械强度、降低了电机的加工装配难度 。 SMC定子极靴的存在对降低电机有效气隙、提高永磁体的利用率以及降低电机的齿槽转矩具有重要意义 。
研究背景
盘式横向磁通永磁无刷电机（简称为DTFM）综合了盘式永磁无刷电机、分数槽集中绕组永磁无刷电机及横向磁通永磁无刷电机的综合优势 ， 具有高效、高功率密度、高转矩密度特点 。 但传统的Si-Steel定子铁心DTFM存在槽满率以及减小有效气隙的矛盾 。
软磁复合材料（SMC）作为一种新型软磁材料可用于电机设计 ， 具有高频铁耗低、磁热各向同性的特点 。 因此 ， SMC材料更适用于具有三维磁路的永磁电机中 。 但SMC电机也只利用了SMC材料的各向磁同性的优点 ， 其低频铁耗高、导磁率低的缺点并没有避免或削弱 。
因此需要充分利用SMC材料和Si-Steel材料的优势 ， 避免或削弱其缺点 ， 开发出高性能的永磁电机 。
论文方法及创新点
本文针对传统Si-SteelC型铁心DTFM的缺点 ， 提出一种以SMC为定子极靴、以Si-Steel为定子极身的3相10转子极12定子极SMC-Si组合C型铁心DTFM 。 图1给出了SMC-Si铁心DTFM结构图 。
由于增加了由SMC材料制成的定子极靴 ， 使电机具有降低电机有效气隙、提高永磁体的利用率、降低电机的齿槽转矩的优势 。 同时 ， 由于SMC定子极靴厚度较小而截面积较大 ， 克服了SMC磁导率低、低频运行铁耗较高的缺点 。
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图1SMC-Si铁心DTFM结构图
为验证SMC定子极靴对提高DTFM性能的意义 ， 对不同材料定子模块铁心DTFM进行性能比较 。 采用三维电磁场的有限元方法 ， 得到三种电机在额定转速3000r/min下的空载相电动势波形如图2所示 。
可以看出 ， SMC-Si铁心DTFM的永磁相电动势最高 ， 这是由于SMC-Si铁心DTFM的定子极靴减小了有效气隙；SMC铁心DTFM永磁相电动势最低 ， 这是由SMC材料导磁率低造成的 。
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图2三种电机空载相电动势波形比较
图3为三种电机的齿槽转矩波形比较 。 可以看出 ， 三者具有相近的齿槽转矩 ，
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图3三种电机的齿槽转矩波形
由于SMC-Si铁心DTFM采用了SMC定子极靴 ， 本身有助于削弱齿槽转矩 ， 并且具有更多进一步削弱齿槽转矩的方法 。 本文采取的方法包括调整定子极靴角度a、定子C型铁心两极靴的相对位置b、转子磁体极弧角度g ， 这些参数分别如图4所示 。
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图4用于降低齿槽转矩的参数
在给定电机结构尺寸的前提下 ， 首先改变定子极靴角度a ， 齿槽转矩及相电动势的变化如图5所示 。 可以看出 ， 随a的增大 ， 电机齿槽转矩先降低后增大 ， 在a=27°时具有最低齿槽转矩 。 随a的增大 ， 永磁相电动势趋于降低 。 因此在采用调整a来降低齿槽转矩降低时 ， 则需要考虑由此可能导致的空载相电动势的下降 。
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图5a对齿槽转矩峰峰值及相电动势的影响
然后改变定子极靴错角b ， 齿槽转矩及空载相电动势的变化如图6所示 。 可以看出 ， 随b的增大 ， 齿槽转矩降低 ， 错角在3°-5°范围内 ， 齿槽转矩变化较小 ， 超过5° ， 再增加错角 ， 齿槽转矩范围增加较快 。 值得注意的是 ， 调整极靴错角对电机空载相电动势波形影响较小 ， 因此调整极靴错角是一个较好的降低电机齿槽转矩方法 。
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图6b对DTFM齿槽转矩峰峰值及相电动势的影响
最后改变转子磁体极弧角度g ， 齿槽转矩及空载相电动势变化如图7所示 。 可以看出 ， 在g增大时 ， 齿槽转矩有先增大再降低然后再增大的变化规律 。 在g增大时 ， 相电动势幅值变化不大 ， 平顶宽度有所增大 ， 显然磁体宽度增大后 ， 永磁体气隙及齿顶漏磁增大 ， 相电动势增大程度有所降低 。
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图7g对DTFM齿槽转矩峰峰值及相电动势的影响
本文提出的基于SMC-Si组合铁心DTFM用于电动汽车驱动 ， 具有6kW144Vdc3000r/min的额定参数 。 在额定转速在对样机进行空载实验 ， 测得空载反电动势波行如图9所示 。 可以看出 ， 样机电机三相空载相电动势波形正弦性及对称性良好 。
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图9在3000r/min时的三相相电动势波形
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图103000r/min下仿真与样机实测对比
对A相绕组反电势的实验结果与有限元仿真结果进行对比 ， 对比结果如图10所示 。 由图可知 ， 实验测出的反电势略小于有限元仿真结果 。
在保持电压120Vdc不变的条件下 ， 测试样机在不同转速下的负载特性 。 图11为不同转速下电机系统的效率曲线 。 其中效率是电机与驱动器的总效率 ， 施加的载荷转矩从0N·m开始递增 ， 增加步长为0.5N·m 。
可以看出 ， 600rpm转速下的电机系统可能已经工作在重载状态下 ， 电机绕组电流高 ， 定子铜耗大 ， 因此其效率最低 ， 仅有22%；其次为1000rpm转速下的系统效率约为68%；1500rpm和2000rpm转速下电机系统效率基本一致 ， 约为75% 。 由此可以得出 ， 当电压相同、转速不同时效率曲线有较大区别 ， 随着转速的不断增大 ， 相同电压下的最大效率点也逐渐增加 ， 并且高效区间不断增大 。
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图11120Vdc下不同转速功率下的效率曲线
结论
本文提出的SMC-Si组合DTFM比Si-Steel铁心DTFM和纯SMC铁心DTFM具有最高的空载相电动势 ， 且三种定子铁心DTFM齿槽转矩相近 。 SMC极靴磁密低且厚度小 ， 克服了SMC材料磁导率低、低频铁耗高的缺点 。
SMC极靴结构使SMC-Si铁心DTFM具有更多的降低电机齿槽转矩的方法 。 经过对a、b、g参数的优化设计 ， 可以使SMC-Si铁心DTFM具有很低的齿槽转矩 。 但在进行齿槽转矩降低的优化设计中 ， 需要考虑由此导致的空载相电动势的变化 。 最后通过样机实验验证了所提出DTFM新结构的可行性 。
引用本文
徐衍亮,崔波,张文晶,薛成勇.软磁复合材料-Si钢组合铁心盘式横向磁通永磁无刷电机[J].电工技术学报,2020,35(5):983-990.XuYanliang,CuiBo,ZhangWenjing,XueChengyong.DiskTransverseFluxPermanentMagnetBrushlessMotorBasedonSoftMagneticComposite-SiSteelCore.TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2020,35(5):983-990.


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