双转子无铁心永磁同步电动机的设计与仿真

刘 婷，黄守道，王家堡，刘 雄，饶志蒙，郭灯塔

(1.湖南大学，长沙410082;2.海上风力发电技术与检测国家重点实验室，湘潭411101)

0 引 言

国内外对双转子电机进行了一些研究，主要有双转子感应电机、盘式双转子永磁电机以及径向双转子电机。双转子感应电机有内外转子鼠笼中间定子结构以及最外面为定子绕组，两个转子在里面的结构。研究较多的盘式双转子永磁电机结构一般可以看作共用一个定子的两个轴向磁场永磁电机的合成。而本文研究的电机结构为径向双转子电机。最先提出这种电机结构的是Thomas A.Lino 等人。与盘式双转子永磁电机结构相似，只是径向双转子的磁场与转轴垂直，电机也可以看作是外面一台外转子电机和里面的一台内转子电机径向叠在一起共用中间的定子的一种复合式电机，与普通电机相比多了一个转子，电机具有更高的功率密度和转矩密度。文献［1－4］对定子有齿槽结构的轴向磁通以及径向磁通双转子电机进行了相关的研究。而本文在此基础上研究了一种无铁心双转子永磁同步电动机。与常规电机相比，永磁无铁心电机具有体积小重量轻、高效节能、调速性好、可靠性强等特点［5］。采用双转子结可以有效地利用电机的内部空间，显著地提高了电机材料利用率与转矩密度，双转子电机与常规永磁电机不同，具有2 个机械轴，能够实现双轴能量传递。因此，无铁心双转子永磁同步电动机可应用于在无级变速器、电动汽车等领域、某些适合外转子电机的场合以及要求高效率转矩密度的场合［6］。

本文设计了一台额定功率380 W 的无铁心双转子复合结构电动机，并通过有限元仿真软件，建立模型，进行磁场仿真，研究其空载负载性能。

1 基本结构及原理

双转子电机根据内外转子上的永磁体不同的排列，即当内外转子上相对的永磁体磁化方向相同或相反时，电机可构成两种不同的磁路形式。内外转子相对的磁极分别为N、S 极，磁化方向相同。内外转子相对的磁极磁化方向相反。当内外转子相对的磁极磁化方向相同，即内转子的N 极正对着外转子上的S 极，内转子的S 极则对着外转子上的N 极时，磁通经过外转子、气隙、定子、气隙、内转子、气隙、定子回到外转子，磁通直接穿过定子，不需要定子轭部，因此可以省去定子铁心，做成无铁心定子结构，即本文研究的双转子无铁心永磁同步电动机结构。如图1 所示。

图1 双转子无铁心电机结构图

本文研究的双转子永磁同步电动机内外两个转子，内外转子之间为公用的无铁心定子。主要包括外转子铁心、外转子永磁体、无铁心定子绕组、内转子永磁体、内转子铁心，定子绕组与内外转子之间分别为内外气隙。内外转子端部固定在一起，同轴旋转。定子为无铁心结构，即没有齿槽，因此定子绕组不是绕在定子齿槽上，而是用漆包线绕成多个串联线圈沿着电机圆周方向按照电相角均匀分布固定，绕组位置确定后通过环氧树脂浇铸定型并将绕组固定在定子上。转子采用表贴式结构。转子磁极与套环粘接。电机结构如图1 所示。

本文采用钕铁硼(NdFeB)永磁材料，表1 为其主要参数。

表1 钕铁硼材料主要参数

2 电机模型的建立

为了研究无铁心双转子结构永磁同步电动机性能，本文首先对两种结构的电机进行了初步设计，得到了相应的设计方案。这里两种结构电机的设计方案功率相同，长度一样，永磁体都采用钕铁硼永磁材料，如表1 所示。电机主要参数如表2 所示。两种电机磁密、热负荷等也想近，从而保证了两种结构电机的性能对比效果。

表2 方案主要设计参数

3 有限元电磁场分析

3.1 空载特性分析

无铁心双转子永磁电机有内外两个转子，气隙比较大，因此，与普通电机相比，绕组通电后电枢反应引起的磁场变化要小得多。本节对设计的双转子无铁心电机用有限元方法进行了仿真分析，得到空载时电机的磁场分布，如图2 所示。

图2 磁力线与磁通分布

可以看出，两种结构的电机磁力线都是对称规律分布，有一定的漏磁，相邻磁极的磁力线组成闭合路径。由于电机的结构不同，两种电机磁路路径也是不同的。常规电机经过定子铁心、气隙、永磁体、转子铁心这几个路段组成闭合路径。而无铁心双转子电机则没有了定子铁心这一路段，但是有两个永磁体与转子铁心。两个转子上的永磁体串联提供气隙磁通，主磁通同时经过内外转子而闭合。双转子无铁心电机气隙比常规电机大很多，永磁体用量也比常规电机多。

对常规电机以及双转子无铁心电机空载情况下的有限元空载仿真分析，得到两种结构电机的空载感应电势波形如图3 所示。常规电机空载感应相电压有效值约为11.49 V，双转子无铁心电机空载感应相电压有效值分别为10.92 V，两者幅值大小接近。从图中可以看出，常规电机的空载感应电压波形顶部有谐波引起的锯齿状。而双转子无铁心电机则明显平滑得多。

图3 空载电势波形

3.2 负载特性分析

对双转子无铁心电机以及常规电机通过有限元方法进行负载仿真分析。图4 为双转子无铁心电机以及常规电机空载以及负载情况时一极气隙处圆周方向的磁密分布。对比图形可以看出，常规电机气隙磁密顶端有明显的齿状波形，这是由于定子齿槽的影响使气隙磁阻不均匀，更多的磁力线沿着磁阻小的路径从定子齿进入定子造成。而双转子无铁心电机气隙磁密顶端较平滑，这是由于电机定子无铁心结构的影响。双转子无铁心电机以及常规结构电机空载磁密最大处为0.74 T 和0.82 T。另外，从图中可以看出，常规电机负载气隙磁密因电枢反应发生畸变较为明显，而双转子无铁心电机负载时气隙磁密却没有那么大的变化。

图4 气隙磁密分布

图5 为双转子无铁心电机以及常规电机输出转矩对比波形。双转子无铁心电机内外转子额定转矩分别为2.67 N·m 与2.6 N·m，双转子无铁心电机的转矩由内外转子转矩叠加得到。常规电机的转矩为5.29 N·m，两种结构电机负载转矩相当，输出功率均达到380 W。

图6 为两种结构电机负载情况下的绕组电流波形。电机电压输入均为24 V 交流电。从图中可以看出，常规电机电流为11.9 A。双转子无铁心电机绕组电流11.7 A。可以看出，双转子无铁心电机绕组电流较小。对电流电压进行后处理，计算得到两种结构电机输入功率分别为438.36 W 与458.18 W。可见双转子电机的效率较高。

图6 负载情况下的负载电流波形

4 结 语

本文对双转子无铁心永磁同步结构的电机以及常规电机进行设计与有限元仿真，对电机的性能特点进行了分析与对比。由有限元计算结果来看，双转子无铁心电机空载感应电压波形较好，性能良好可行，同时双转子无铁心永磁结构电机具有重量轻、效率高、损耗低的特点，对于提高电动机效率，节约能源与保护环境具有重要意义。由于双转子无铁心电机有其自身特点，与常规电机有一定区别，它的最优设计方法有待进一步研究。

［1］ 乔鸣忠，张晓锋.单定子双转子盘式永磁同步电动机设计［J］.微电机，2008，41(6):14－16.

［2］ 辜承林.转子无铁心式直流永磁盘式电机的磁场和解析解分析与优化设计［J］. 中国电机工程学报，1996，16(2):125－129.

［3］ 徐衍亮，王法庆，冯开杰.双转子永磁电机电感参数、永磁电势及齿槽转矩［J］.中国电机工程学报.2007，22(9):40－44.

［4］ 宿国栋，靳伟.30 kW 双转子永磁发电机磁场有限元研究［J］.研究与设计，2009，36(6):14－16，44.

［5］ 曹江华，杨向字，肖如晶.双转子径向永磁电机的设计与有限元分析［J］.电机与控制应用，2010，37(1):8－12.

［6］ 庞珽，黄声华，黄晓辉.双转子电机及其典型应用［J］.微电机，2007，40(2):66－69.