轉(zhuǎn)子齒數(shù)混合充磁式磁通切換電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)的影響研究

轉(zhuǎn)子齒數(shù)研究背景

永磁電機(jī)與電勵磁式電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠性高，維護(hù)成本相對較低。永磁體提供磁動勢使得永磁電機(jī)的功率密度比傳統(tǒng)電勵磁電機(jī)的功率密度高。同時，永磁電機(jī)沒有勵磁繞組，可以有效減小電機(jī)的銅耗。因此，永磁電機(jī)在工業(yè)各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)有永磁電機(jī)多采用轉(zhuǎn)子永磁式結(jié)構(gòu)，將永磁體貼于轉(zhuǎn)子表面或內(nèi)嵌于轉(zhuǎn)子中提供旋轉(zhuǎn)磁場。根據(jù)不同的應(yīng)用場合決定永磁體的放置方式。由于轉(zhuǎn)子式永磁結(jié)構(gòu)使永磁體處于運(yùn)動狀態(tài)，導(dǎo)致永磁體對轉(zhuǎn)子有較大的離心力，這對永磁體的安裝和固定提出了更高的要求；其次，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中溫升過高，對永磁體的工作造成影響，嚴(yán)重時會使得永磁體發(fā)生不可逆退磁。磁通切換電機(jī)可以解決傳統(tǒng)永磁電機(jī)存在的問題。其永磁體和電樞繞組均置于定子側(cè)，避免了轉(zhuǎn)子離心力和溫升過高對永磁體造成的影響。磁通切電機(jī)的聚磁效應(yīng)使其功率密度比普通永磁電機(jī)功率密度高，在電動汽車和航空等領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。研究在傳統(tǒng)磁通切換電機(jī)的基礎(chǔ)上，提出一種新型的混合充磁的磁通切換電機(jī)，并分析全了不同轉(zhuǎn)子齒數(shù)對磁鏈和反電動勢的影響。為便于比較，以12/10型和12/11型混合充磁式磁通切換電機(jī)為研究對象。

轉(zhuǎn)子齒數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理

研究提出的混合充磁式磁通切換電機(jī)的定子側(cè)結(jié)構(gòu)如圖3所示。定子結(jié)構(gòu)依舊采用U形定子軛，相鄰U形定子軛之間嵌有切向充磁永磁體；與普通徑向磁通切換電機(jī)相比，混合充磁式磁通切換電多了沿徑向充磁的永磁體和徑向永磁體外側(cè)的環(huán)形定子軛。

在沒有徑向充磁永磁體時，電機(jī)為傳統(tǒng)徑向結(jié)構(gòu)的磁通切換電機(jī)，其定子及定子中的磁路如圖4所示。圖4中的切向磁路即為磁通切換電機(jī)定子側(cè)的主磁路。由于U形定子軛外部漏磁的存在，使得電樞繞組匝鏈的主磁鏈減少，其感應(yīng)電動勢也會相應(yīng)減小。

研究所提的混合充磁式磁通切換電機(jī)的定子側(cè)中的磁通路徑如圖5中(a)所示，電機(jī)的磁力線分布如圖5中(b)所示。其中切向磁路由切向充磁永磁體產(chǎn)生，是混合充磁式磁通切換電機(jī)的主磁路；徑向磁路由徑向永磁體產(chǎn)生，作為輔助磁路，主要有兩個作用：一是可以在一定程度上減小定子外側(cè)的漏磁通，使切向充磁的永磁體得以充分利用；二是切向磁路的存在增加U形定子軛中的磁通密度，進(jìn)而U形定子齒中與電樞繞組匝鏈的磁鏈增加。

轉(zhuǎn)子齒數(shù)研究結(jié)論

提出了一種混合充磁式磁通切換電機(jī)，分析了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特征，基于有限元計(jì)算方法對比分析了12/10型和12/11型電機(jī)的磁鏈和反電動勢，得到如下結(jié)論：

1)混合充磁式磁通切換電機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)具有互補(bǔ)性；

2)轉(zhuǎn)子齒數(shù)的變化會改變一相電樞繞組中各個繞組的相位差，改變了磁鏈中各次諧波之間的相位差，進(jìn)而對電機(jī)的諧波特性造成影響；

3)轉(zhuǎn)子齒數(shù)的變化會導(dǎo)致一相電樞繞組匝鏈的磁鏈幅值變化，進(jìn)而影響電機(jī)的功率密度；

4)為了充分利用磁通切換電機(jī)繞組的互補(bǔ)性，轉(zhuǎn)子齒數(shù)改變時，電樞繞組的排列方式也需要作適當(dāng)調(diào)整。 2100433B

永磁電機(jī)與電勵磁式電機(jī)相比，沒有勵磁線圈，使得整個電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠性提高，電機(jī)維護(hù)成本相對較低，同時沒有勵磁損耗。永磁電機(jī)因其功率密度高，在工業(yè)各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)有永磁電機(jī)多為轉(zhuǎn)子永磁式結(jié)構(gòu)，永磁體均為表貼式或內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，與轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動提供旋轉(zhuǎn)磁場。對于高速旋轉(zhuǎn)的永磁電機(jī)而言，轉(zhuǎn)子式永磁結(jié)構(gòu)使永磁體處于高速運(yùn)動狀態(tài)，永磁體相對轉(zhuǎn)子有較大的離心力，對永磁體的安裝和固定提出了更高的要求；其次，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中溫升過高，對永磁體的工作點(diǎn)造成影響，嚴(yán)重時會使得永磁體發(fā)生不可逆退磁。

磁通切換電機(jī)由于其獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以規(guī)避傳統(tǒng)永磁電機(jī)存在的上述問題。其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)永磁電機(jī)的區(qū)別在于：其永磁體和電樞線圈均置于定子側(cè)，避免了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致永磁體離心力過大，進(jìn)而降低了永磁體安裝和固定的要求；同時也避免了轉(zhuǎn)子溫升過高對永磁體造成的惡劣影響。磁通切換電機(jī)的聚磁效應(yīng)使其功率密度比普通永磁電機(jī)功率密度高，在電動汽車和航空等領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。

關(guān)于磁通切換電機(jī)的報(bào)道研究主要集中在電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電磁特性以及損耗方面。關(guān)于磁通切換電機(jī)諧波特性的分析研究也有涉獵，但基于轉(zhuǎn)子齒數(shù)的諧波特性研究鮮有報(bào)道。研究在傳統(tǒng)磁通切換電機(jī)的基礎(chǔ)上，提出了一種改變轉(zhuǎn)子齒數(shù)的方法，優(yōu)化磁通切換電機(jī)的諧波特性。分析結(jié)果表明不同的轉(zhuǎn)子齒數(shù)對電機(jī)磁鏈和反電動勢的諧波特性有著重大影響。

轉(zhuǎn)子齒數(shù)磁通切換電機(jī)原理

磁通切換，顧名思義是指電樞繞組匝鏈磁通的切換。在現(xiàn)有磁通切換電機(jī)中，主要是依靠轉(zhuǎn)子齒與定子齒的相對位置決定線圈匝鏈的磁通的大小和方向。磁通切換電機(jī)的一個電周期對應(yīng)著轉(zhuǎn)子的一個極距對應(yīng)的機(jī)械角度。假定磁通的正方向?yàn)榇┏鼍€圈，圖1中(a)中的轉(zhuǎn)子齒與定子齒正對，磁通穿出線圈，根據(jù)磁阻最小原理，線圈匝鏈的磁通為正向最大；在轉(zhuǎn)子齒運(yùn)動到圖1中(b)中所示位置時，轉(zhuǎn)子齒與定子槽正對，此時穿入線圈的磁通與穿出線圈的磁通相等，線圈匝鏈的磁通為零；轉(zhuǎn)子齒繼續(xù)沿相同方向運(yùn)動到圖1中(c)中所示位置，此時轉(zhuǎn)子齒與定子齒依舊正對，由于永磁體充磁方向的原因，此時線圈匝鏈的磁通方向?yàn)榇┤司€圈，與假定的正方向相反，即線圈匝鏈的磁通為反向最大。結(jié)合上述分析發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)子齒與定子齒的相對位置發(fā)生變化時，對應(yīng)線圈匝鏈的磁通始終沿磁阻最小路徑閉合，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子齒在運(yùn)動半個極距的過程中，線圈匝鏈的磁通方向由穿出線圈變?yōu)榇┤司€圈，磁通由正向最大變?yōu)榉聪蜃畲?。上述過程完成了磁通的切換，包括磁通的大小和方向。

轉(zhuǎn)子齒數(shù)磁鏈分析

為研究轉(zhuǎn)子齒數(shù)對磁通切換電機(jī)諧波特性的影響，首先需要研究轉(zhuǎn)子齒數(shù)的變化對線圈交匝磁鏈的影響。選擇12/10型和12/11型兩種結(jié)構(gòu)的磁通切換電機(jī)為研究對象，以磁鏈為目標(biāo)作對比分析。建立12/10型和12/ll型兩種結(jié)構(gòu)的磁通切換電機(jī)有限元模型如圖2所示。在轉(zhuǎn)子齒旋轉(zhuǎn)一個極距過程中，根據(jù)兩種電機(jī)的結(jié)構(gòu)分別選擇5個特殊的轉(zhuǎn)子位置，判斷各個線圈的磁鏈大小和極性。兩種電機(jī)的A相磁鏈與轉(zhuǎn)子的位置關(guān)系如表1和表2所示。

綜合來看，轉(zhuǎn)子齒數(shù)的變化，改變了A相繞組中各個線圈的磁鏈符號和相位。各個線圈磁鏈符號的改變使A相合成磁鏈中諧波成分發(fā)生變化；各個線圈磁鏈相位的變化使A相合成磁鏈的幅值發(fā)生變化。

轉(zhuǎn)子齒數(shù)研究結(jié)論

研究了磁通切換電機(jī)原理，分析了轉(zhuǎn)子在不同位置時各個線圈所匝鏈的磁鏈情況，并結(jié)合有限元方法對比分析了12/10型電機(jī)和12/11型電機(jī)的磁鏈和反電動勢，得到如下結(jié)論：

1)轉(zhuǎn)子齒數(shù)的不同會改變單相各個線圈之間的互補(bǔ)性；

2)轉(zhuǎn)子齒數(shù)的不同會改變線圈所匝鏈的磁鏈的極性，對單相線圈磁鏈的諧波成分造成影響，進(jìn)而對電機(jī)的諧波特性造成影響；

3)轉(zhuǎn)子齒數(shù)的不同會改變各個線圈之間的相位差，進(jìn)而改變單相線圈匝鏈的磁鏈幅值，進(jìn)而影響電機(jī)的功率密度。

轉(zhuǎn)子齒數(shù)依據(jù)步進(jìn)電動機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵芯的段數(shù)來計(jì)算，定轉(zhuǎn)子鐵芯的段數(shù)分為單段式和多段式兩種。單段式是定轉(zhuǎn)子為一段鐵芯，由于各相繞組沿圓周方向均勻排列，所以又稱為徑向分相式，它是步進(jìn)電動機(jī)中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)。定轉(zhuǎn)子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，定子磁極為凸極式，磁極的極面上開有小齒。定子上有三套控制繞組，每一套有兩個串聯(lián)的集中控制繞組，分別繞在徑向相對的兩個磁極上，每套繞組叫一相，三相繞組接成星形，所以定子磁極數(shù)通常為相數(shù)的兩倍。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，沿圓周也有均勻的小齒，其齒距和定子磁極上小齒的齒距必須相等，而且轉(zhuǎn)子的齒數(shù)有一定的限制。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點(diǎn)是制造簡便，精度易于保證，步距角可以做得較小，容易得到較高的啟動和運(yùn)行頻率。其缺點(diǎn)是在電機(jī)的直徑較小而相數(shù)又較多時，沿徑向分相較為困難，消耗功率大，斷電時無定位轉(zhuǎn)矩。

多段式是定轉(zhuǎn)子鐵芯沿電機(jī)軸向按相數(shù)分成m段。由于各相繞組沿著軸向分布，所以又稱為軸向分相式。按其磁路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有兩種：一種是主磁路仍為徑向，另一種是主磁路包含有軸向部分。多段式徑向磁路步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)，每一段的結(jié)構(gòu)和單段式徑向分相結(jié)構(gòu)相似。通常每一相繞組在一段定子鐵芯的各個磁極上，定子的磁極數(shù)從結(jié)構(gòu)合理考慮決定，最多可以和轉(zhuǎn)子齒數(shù)相等。定轉(zhuǎn)子鐵芯的圓周上都有齒形相近和齒距相同的均勻小齒，轉(zhuǎn)子齒數(shù)通常為定子極數(shù)的倍數(shù)。定子鐵芯或轉(zhuǎn)子鐵芯每相鄰兩段沿圓周錯開1/m齒距，此外，也可以在一段鐵芯上放置兩相或三相繞組。定子鐵芯或轉(zhuǎn)子鐵芯每相鄰兩段要錯開相應(yīng)的齒距，這樣可增加電機(jī)制造的靈活性。多段式結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是鐵芯分段和錯位裝配工藝比較復(fù)雜，精度不易保證。特別對步距角較小的電機(jī)更是困難，但步距角可以做的很小，啟動和運(yùn)行頻率較高，對軸向磁路的定子空間利用率高，環(huán)形控制繞組繞制方便，轉(zhuǎn)子的慣量較低。

銑齒加工完一個齒槽后，在搖臺返回過程中工件繼續(xù)轉(zhuǎn)過的齒數(shù)稱為跨越齒數(shù)，又稱為跳越齒數(shù)或單分齒齒數(shù)。

銑齒加工完一個齒槽后，在搖臺返回過程中工件繼續(xù)轉(zhuǎn)過的齒數(shù)稱為跨越齒數(shù)，又稱為跳越齒數(shù)或單分齒齒數(shù)。2100433B

標(biāo)準(zhǔn)直齒輪（m=1 α=20°）公法線長度和跨測齒數(shù)如圖1所示：

標(biāo)準(zhǔn)直齒輪（m=1 α=20°）公法線長度和跨測齒數(shù)如圖2所示：2100433B