新型双定子永磁无刷电动机的结构设计

1、。一种新型双定子永磁无刷电机的结构设计陈菊华(重庆工贸职业技术学院，重庆408000)文摘：设计了三种不同结构的双定子永磁无刷电机，分析了它们的结构特点，并与传统永磁无刷电机的性能进行了比较。分析比较表明，双定子永磁无刷电机比传统电机具有更好的优势。关键词：双励磁永磁无刷电机；结构设计。传统永磁无刷电机；比较新双定子永磁电机的设计吴敏陈菊-华(重庆工业贸易职业技术学院，重庆，408000，中国)摘要：设计了双定子永磁无刷电机不同的结构充分分析了它们的结构特征；双定子永磁无刷电机与传统永磁无刷电机的比较。分析和比较表明，传统的永磁无刷电机比传统的永磁无刷电机更有优势。关键词：双励磁永磁无刷电机；

2、结构设计；传统永磁无刷电机；比较。0简介与传统的永磁无刷电机相比，双定子永磁无刷电机是一种新型的永磁无刷电机。在2012年第8期煤矿用双定子永磁无刷电机有限元时间步进方法研究一文中，对煤矿用双定子永磁无刷电机的有限元建模进行了详细分析。在这里，我们将继续讨论双定子永磁电机的结构设计及其与传统永磁无刷电机的比较。1双定子永磁电机的结构和工作原理图1系列磁路表面贴装双定子永磁体磁电机及其等效磁路根据磁路结构的不同，本文提出了三种不同结构的双定子永磁电机。第一种是串联磁路表面贴装双定子永磁电机，如图1所示；第二种是平行磁路表面安装双定子永磁电机，如图2所示；第三种是并联磁路嵌入式双定子永磁电机，如图

3、3所示。图中还显示了负载的等效磁路。其中，它是永磁体的计算磁动势；是永磁体磁通导向器；是转子的磁导率；是电机的泄漏电导；是包括气隙和定子齿的主磁通导管；是电枢磁动势；主磁通量；是泄漏通量；提供给永磁体外部磁路的总磁通量。变量中的下标“0”代表外定子2，而“1”代表内定子。根据对激励磁场的不同影响，它主要起到磁化和消磁的作用3。第一个电机是串联磁路，后两个电机是并联磁路。与嵌入式电机相比，表面贴装电机节省更多空间。对于串联磁路的表贴式双定子永磁电机，由于磁力线不穿过转子铁芯，转子铁芯可以设计得很薄；对于平行磁路表面安装双定子永磁电机，由于磁力线穿过转子铁芯，如果永磁体的数量相同，转子铁芯将设计得

4、比第一台电机厚得多，以防止铁芯饱和，从而降低电机内部空间的利用率。图2平行磁路表面安装双定子永磁体磁电机及其等效磁路图3嵌入双定子永磁体的并联磁路磁电机及其等效磁路图4和图5为新型双定子永磁电机的结构示意图，其结构参数见表1。由于双定子永磁电机为24槽22极定子结构，其内外定子绕组可设计为分数槽集中绕组，其定子绕组槽电动势星形图和单相绕组接线图如图6和图7所示。图4新型双定子永磁电机结构图由于磁极的磁通密度按照正弦规律沿气隙的圆周分布，转子以恒定的速度逆时针旋转，定子每个槽中导体的感应电动势随时间按照正弦规律变化2。由于槽在空间上的电角度彼此不同，线圈中每个导体的电动势在时间相位上的电角度也不

5、同。因此，2号槽导体的电动势矢量滞后于1号槽，同样，3号槽滞后于2号槽。根据相分离，每相正负相带取四个槽，使三相电动势相等，得到相位差。每相占用的槽号为：阶段a: 1，2，3，4和13，14，15，16。B阶段：5、6、7、8和17、18、19、20。c相：9、10、11、12和21、22、23、24。单层绕组的绕组串联为123413141516。双层绕组的绕组系列为123234541314151415161716。由于分数槽集中绕组连接，消除了三相对称绕组连接中的三次和三次多重谐波，单层绕组中一次谐波、五次谐波和七次谐波的分布系数分别为0.958、0.205和0.158，双层绕组中的分布系数

6、分别为0.949、0.163和0.096。可以看出，与单层绕组相比，双层绕组可以削弱5次谐波和7次谐波，但也会削弱基波幅度。图8和图9分别示出了当一相通电时单层绕组和双层绕组的磁力线分布。b)双层连接的定子绕组图7单层和双层连接的定子绕组a)单层连接的定子绕组图8单层绕组的一相通电磁力线分布图9当双层绕组的一相通电时，磁力线分布双定子永磁电机的优点和特点这种新型双定子永磁电机采用分数槽单节距分布绕组，与传统电机常用的整数槽分布绕组相比，具有以下独特优势：(1)与一般的整数槽分布绕组相比，定子绕组的端部长度可以大大减小，从而降低铜损耗，提高效率。对于小长宽比的电机，其优势更加突出。(2)由于绕组

7、线圈是独立的，并且具有槽间距，所以在制造过程中机器可以自动离线，从而简化了制造过程并节约了成本。(3)由于各相绕组之间没有耦合，互感很小，因此各相可以独立控制，提高了电机的可控性。(4)这种绕组结构可以获得较高的自感，从而提高电机的弱磁能力。(5)由于绕组相和相之间的磁路和热场连接是相互独立的，当一相发生故障时，其他相可以独立运行，因此采用分数槽单节距定子绕组，电机的容错性更好。除了上述分数槽单节距分布绕组的优点之外，双定子永磁电机还具有一些单定子永磁电机不具有的其它优点：(1)它有内外同心定子结构，中间有一个杯形转子。永磁体安装在转子的内侧和外侧。采用串联磁路表面贴装磁极结构。因为磁力线不穿

8、过转子磁轭，所以这种结构可以完全减小转子磁轭的高度，从而减小电机的体积和质量，提高电机的转矩密度。(2)采用多极结构。这种结构可以显著降低定子磁轭的高度，从而减小电机的体积和铁芯消耗，并进一步提高转矩密度。多极结构的电机还显著减小了定子的端部长度，减少了定子的铜损耗和发热，提高了效率。(3)它有两个独立的定子绕组结构。两组绕组可以串联使用，以提高电机的扭矩输出；每组绕组可以独立控制。当一组绕组失效时，另一组绕组可以正常运行(4)内外绕组可以设计成具有一定的电角度差。在发电状态下，双定子永磁电机可以通过外部开关电路调节内外定子绕组的连接方式，从而改变和限制其输出电压幅值，达到弱磁调压的效果。(5

9、)采用24槽22极的极槽配比结构。由于双定子永磁电机的自定位转矩与槽数和极数的最小公倍数成反比，所以电机的自定位转矩较小，有利于电机的驱动控制。新型双定子永磁无刷电机与传统永磁无刷电机的比较由于双定子永磁无刷电机能够有效利用内部空间，因此比传统电机具有更高的转矩密度。原型电机如图10所示。本文对表面贴装双定子永磁无刷(DSSPMB)电机、嵌入式双定子永磁无刷(DSIPMB)电机和传统永磁无刷(SSSPMB)电机进行了比较，如图11所示。三个电机具有相同的电负载和磁负载。DS-SPMB和DS-IPMB电机的设计功率相同，但由于嵌入的永磁体需要占用更多的空间，这将导致内径减小和定子绕组放置困难，因

10、此我们在保持相同的电负载和磁负载以及保持定子内外径不变的基础上设计了DS-IPMB电机。SS-SPMB电机的设计外径与DS-SPMB电机相同。图10新型双定子永磁无刷电机样机图11三种永磁无刷电机结构通过比较可以发现，虽然直驱式IPMB电机可以产生一定的磁阻转矩，但由于其占用电机内部空间较大，增加了整个电机的体积和重量，所以总的转矩密度会低于直驱式SPMB电机。如图12所示，直驱IPMB电机的自定位转矩远大于直驱SPMB电机。虽然DS-SPMB和SS-SPMB电机尺寸相同，但最终计算结果证明，DS-SPMB电机的输出远大于SS-SPMB电机。由此可见，直驱SPMB电机的优势是显而易见的。图6-12自定位扭矩占额定扭矩的百分比4结束语本文设计了三种不同结构的双定子永磁无刷电机，分析了它们的结构特点，并将双定子永磁无刷电机与传统永磁无刷电机进行了比较。双定子永磁无刷电机比传统电机具有更好的优势。参考文献：吴敏。引用该论文王志平，王志平，王志平.煤矿机械。2013.08:8184。万军。永磁无刷DC电机的研究。浙江大学硕士论文D .2003.06.01。周文娟。自动门用永磁无刷DC电机设计研究D。江苏大学硕士论文。2009.04.01。吴敏。