一種用于同步磁阻牽引電機(jī)的新型取向鋼疊片轉(zhuǎn)子鐵心

技術(shù)進(jìn)步極大推動(dòng)了全球電氣化進(jìn)程，因此動(dòng)力系統(tǒng)選擇合適的電機(jī)至關(guān)重要。尤其在電動(dòng)汽車行業(yè)中，選擇具有更高性能和更低成本的電機(jī)需求正在快速增長(zhǎng)。

同步磁阻電機(jī)(SynRM)中轉(zhuǎn)子的各向異性有助于減少昂貴的稀土永磁體以及銅條或鋁條的使用。因此與永磁體(PMSM)和感應(yīng)電機(jī)(IM)相比，同步電機(jī)可能提供更高的性價(jià)比，成為未來(lái)牽引電機(jī)電氣化動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)強(qiáng)大的潛力市場(chǎng)。

對(duì)于高性能SynRM的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，往往希望最大程度的獲得高Ld或低Lq指標(biāo)，同時(shí)由于電動(dòng)汽車的高速特性，研究新的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和幾何形狀，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械穩(wěn)健運(yùn)行。

冷軋晶粒取向鋼(CRGO)是在嚴(yán)格的工藝控制下加工生產(chǎn)的產(chǎn)品，具有在軋制方向上合適的磁性和非常高的堆積因子。因此當(dāng)在磁通路徑平行于軋制方向的設(shè)計(jì)中用作鐵心材料時(shí)，CRGO會(huì)在低勵(lì)磁電流下獲得高的高磁感應(yīng)強(qiáng)度，并且其正常工作磁感應(yīng)強(qiáng)度是充分低于材料的磁飽和的。這種高磁感應(yīng)強(qiáng)度和高堆疊系數(shù)性能可以給電機(jī)鐵心提供更加緊湊的設(shè)計(jì)，有助于減小尺寸和重量。

圖1 冷軋晶粒取向鋼的典型磁特性

IEEE的研究員Taghavi等人提出了一種用于使用CRGO制作的4極同步電機(jī)的新轉(zhuǎn)子極組件，以提高用于牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。該項(xiàng)研究工作也是NSERC公司“特殊電機(jī)的設(shè)計(jì)和性能”工業(yè)研究項(xiàng)目中的一部分。

研究人員把CRGO鋼板被切割成如圖2所示的單級(jí)轉(zhuǎn)子疊片形狀，可以使得每個(gè)單極轉(zhuǎn)子疊片的磁通載體可以在軋制方向上對(duì)齊，使得q軸的方向垂直于軋制方向。

根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，單極轉(zhuǎn)子疊片的任何給定絕緣屏障的兩端都平行于軋制方向定位。此外，單極轉(zhuǎn)子疊片的切割布局減少了切割過(guò)程中鋼板的材料損失。這是通過(guò)使用交錯(cuò)切割模式實(shí)現(xiàn)的，其中材料廢料最少。

圖2 分段磁極疊片的切割方法

如圖3所示單極疊片的不對(duì)稱幾何形狀是轉(zhuǎn)子疊片正確粘合的關(guān)鍵。以這種方式，在每個(gè)單極轉(zhuǎn)子疊片中，第一磁通載體在一側(cè)(d1)的寬度被設(shè)計(jì)成比另一側(cè)(d2)厚得多，而屏障的幾何形狀相對(duì)于q軸對(duì)稱。層壓組件從布置第一層開始由四個(gè)分段的桿組成。

第二層放置在第一層的頂部，同時(shí)每個(gè)單極疊片基本上圍繞q軸翻轉(zhuǎn)180 °,并且這種布置重復(fù)直到最后一層。因此在粘合過(guò)程中，可以在兩個(gè)連續(xù)層之間實(shí)現(xiàn)類似于變壓器鐵心的重疊圖案。重疊區(qū)域允許每個(gè)單磁極疊片在頂部和底部連接到另外兩個(gè)單磁極疊片，因此實(shí)現(xiàn)了整個(gè)轉(zhuǎn)子疊片上所有單磁極疊片之間的完全連接。

然而，在沒(méi)有重疊的情況下，每個(gè)單磁極疊片僅連接到一個(gè)上磁極疊片和一個(gè)下磁極疊片，并且在整個(gè)轉(zhuǎn)子疊片上保留了四條剖面線，這降低了結(jié)合過(guò)程中的機(jī)械完整性。在層間插入環(huán)氧樹脂材料并經(jīng)過(guò)兩小時(shí)的熱壓工序后，轉(zhuǎn)子疊片完成。

為了給制成的轉(zhuǎn)子提供適當(dāng)?shù)臋C(jī)械完整性和堅(jiān)固性，使用粘合技術(shù)將轉(zhuǎn)子單極疊片夾緊在一起。為此，在層間使用環(huán)氧樹脂粘合材料。每個(gè)轉(zhuǎn)子磁極疊片包括螺栓孔和導(dǎo)銷，在夾緊過(guò)程中提供適當(dāng)?shù)膶?duì)準(zhǔn)指導(dǎo)，在適當(dāng)?shù)臏囟认?，通過(guò)壓配合技術(shù)安裝兩個(gè)端板，從而完成轉(zhuǎn)子疊片組件。

圖3 （a）分段磁極疊片鐵心（b）具有重疊區(qū)的三層疊片結(jié)構(gòu)（c）沒(méi)有重疊區(qū)的三層疊片結(jié)構(gòu)

通過(guò)這種使用冷軋晶粒取向(CRGO)電工鋼的創(chuàng)新轉(zhuǎn)子鐵心設(shè)計(jì)和裝配制作的電機(jī)鐵心，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與各向同性鋼(CRNGO)相比，配備有由CRGO制成的分段磁極轉(zhuǎn)子的機(jī)器在相同的工作點(diǎn)表現(xiàn)出較高的d軸感應(yīng)和較低的q軸感應(yīng)。

因此，在轉(zhuǎn)子芯中使用定向材料提高了電機(jī)凸極比，放大了輸出扭矩，并且在相同的運(yùn)行負(fù)載下減小了電機(jī)尺寸，這是汽車應(yīng)用所期望的。

此外，研究人員還提出了一種基于轉(zhuǎn)子和定子槽螺旋角的幾何方法來(lái)減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。用數(shù)學(xué)方法表示轉(zhuǎn)子的適當(dāng)槽距角，以實(shí)現(xiàn)更低的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

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審核編輯：劉清