雙轉子電機的定子固定裝置的優化設計

郗珂慶，劉云濤，高俊麗，楊 光

(西安航天動力測控技術研究所，西安 710025)

0 引 言

雙轉子電機可以是有一個電輸入端口，兩個機械輸出端口的電動機；也可以是有兩個機械輸入端口，一個電輸出端口的發電機。這種電機可能的結構和運行方式多種多樣，其應用前景和領域也非常廣泛，如混合動力電動汽車、多種可再生能源聯合發電等[1-2]。

異向旋轉雙轉子永磁電機具有一個電輸入端口和兩個獨立的機械輸出端口，非常適合作為雙螺旋槳水下航行器的推進電機[3]。它只有一組三相對稱交流電饋電，不但巧妙地實現內外雙轉子的同速異向旋轉，大大簡化機械推進系統的結構，減小系統體積、降低系統重量和成本， 而且不用加變向雙輸出裝置, 從電機本身就實現了異向同速的雙機械量輸出。但由于該種電機結構的特殊性, 需要定子固定裝置來保證由硅鋼片疊壓而成的定子鐵心是一個整體，同時保證外轉子、定子和內轉子的同心度。

本文主要從機械和電磁兩方面分析定子固定裝置對該種結構電機的影響。主要分析定子鐵心緊固件材料、安放位置和應用定子固定裝置與不用定子固定裝置兩種電機結構的配合方式對雙轉子永磁電機的機械和電磁的影響。

1 機械方面的影響分析

1.1 材料選取

由于定子鐵心緊固件一方面起到定子硅鋼片的軸向固定，另一方面影響定子鐵心磁路結構。因此，定子鐵心緊固件的材料選取尤為重要。一般制造緊固件常用碳鋼材料[4]，若考慮降低電機的渦流損耗從而減少定子發熱和增強緊固件的強度，可選取不導磁的不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料；但由于定子鐵心緊固件是定子軛部磁路的一部分，從降低鐵心飽和程度來考慮，可選取10號鋼。

1.2 外轉子-定子-內轉子三者之間同心度保證

普通電機只有一個在定子鐵心內側的氣隙，定子鐵心可以在外側通過激光焊接(微特電機)、扣片(小型電機)或者焊接緊固筋(中大型電機)將定子硅鋼片的軸向緊固形成定子鐵心。經軸向緊固后的定子鐵心通常以鐵心內孔為基準磨鐵心外圓然后壓入電機機殼內來進行固定，并且可以利用機殼兩端和端蓋的止口進行定位[5]。

雙轉子永磁電機的定子內側和外側都有齒槽和氣隙，無法在定子外側安裝扣片或緊固筋定位，硅鋼片不能和機殼直接相連，也無法利用機殼和端蓋的止口來進行內外氣隙的同心定位。因此，電機選擇了定子固定裝置這種機械結構實現上述兩種功能。電機未采用定子固定裝置結構如圖1所示。

圖1 DRRFPM結構

從圖1可以看出，定子與端蓋連接時僅僅靠螺絲的圓柱邊同端蓋的止口面配合，起到保證整個定子鐵心的同軸度，這將遠比普通電機的機座端蓋止口面配合保證定子鐵心同軸度的精度差得多。

為了保證內外轉子和中間定子的同心度，在機械設計中，各個零件的機械結構設計時都應該考慮這個因素，尤其是定子固定裝置同定子及前后端蓋的連接配合又是實現電機同心度的關鍵要素。設計定子固定裝置由定子鐵心緊固件、定子壓圈、異形連接座三部分組成，定子鐵心緊固件從定子鐵心的前后兩側對硅鋼片和前后兩端的壓圈進行固定。通過設計異形連接座三處伸出部分兩端加工止口，一端與定子鐵心壓圈的止口配合定位，另一端與端蓋的止口配合定位，并用緊固件分別固定在一起。這樣比定子同端蓋連接時，僅僅靠定子鐵心緊固件的圓柱邊同端蓋的止口面配合來保證整個電機的同心度提高了許多。

1.3 定子受力分析

定子的強度與剛度的機械計算是雙轉子電機的機械性能計算的重要部分，它將決定電機定子受力形變大小及電機所受單邊磁拉力的大小，是電機穩定運行的關鍵。定子固定裝置計算的重點為定子緊固件和異形連接座強度和剛度。除了材料自身影響外，還可以合理的設計定子緊固件和異形連接座機械結構來降低其所受應力。因此，設計定子固定裝置時，為了降低其所受應力，需要做以下幾方面結構上的改進：

(1)定子緊固件采用圓形結構: 定子緊固件的端部和定子緊固件檔采用圓形結構, 這樣比矩形更有效的提高此結構件的抗彎矩能力。

(2)定子靠近端蓋止口: 盡量縮短異形連接座的軸向尺寸，使后端蓋的止口面在不影響定子端部走線的前提下盡量靠近定子, 這樣可以減少彎矩力臂, 從而降低了異形連接座所受彎矩的影響, 方便改善其載荷分布。

(3)增加異形連接座: 在定子緊固件兩端所受的剪應力最大, 為了降低剪應力破壞能力, 同時因為定子緊固件需要套在定子鐵心上, 因此在不影響電機電磁性能和遮蓋齒槽的前提下, 盡量增加緊固件厚度, 提高它的機械強度；增加異形連接座與定子壓圈止口配合(如圖2止口配合1)長度和止口高度；增加異形連接座與端蓋止口配合(如圖2止口配合2)長度和止口高度；異形連接座支承部位設計有多筋結構，因為它同時承受著整個定子重量對它施加剪應力的影響。通過上面所述內容, 得出定子固定裝置的三維圖如圖2所示。

圖2 定子固定裝置

對于該種電機定子鐵心所承受的徑向和切向電磁力及扭轉情況可以不考慮，因為徑向電磁力可以看作定子和轉子為了減小氣隙而相互吸引的拉力。而在電機設計時, 定子上的徑向力由于對稱的雙轉子結構被消除，理論上可使得機械拉力為零，但實際上數值也很小。另外, 內外轉子作用在定子上的電磁轉矩方向相反，不但使得定子上的切向磁拉力極大地減小而且使得定子受到的合成轉矩較小, 有利于定子的緊固, 提高了機械穩定性。

1.4 定子固定裝置受力仿真

通過軟件對定子固定裝置進行受力分析仿真，模型網格劃分如圖3所示，邊界條件的設置，加載重力加速度的方向為y方向，加載大小為102 N，如圖4所示；分析結果如圖5和圖6所示。

圖3 模型網格劃分

圖4 邊界條件設置

圖5 受力方向的變形圖

圖6 等效應力圖

通過圖5可知，最大形變量位于模型最下側，數值為0.1559 μm；通過圖6可知，最大等效應力數值為15386 Pa，位于模型兩側，這符合靜態平衡下的工況，滿足設計要求。

2 電磁方面的影響分析

2.1 定子鐵心磁場分布

本文以12極36槽雙轉子永磁電機為研究對象，定子內外兩側的繞組相序繞制異向，實現內外轉子異向旋轉[6]。利用仿真軟件對雙轉子永磁電機建模仿真得到電機的磁力線分布(如圖7所示)，從圖中可以看出，軛部磁密曲線的空間位置分布和定子鐵心的高慈密區和低磁密區，并且低磁密區有12處，因此定子鐵心緊固件最多有12處可以安放。

圖7 雙轉子永磁電機磁力線分布

2.2 對鐵心飽和的影響

定子鐵心緊固件的數量、大小不但影響雙轉子電機的機械性能, 而且影響到磁力線的走向, 占據了一定的磁路空間, 增加了部分區域的飽和程度， 而且位置不同, 對磁力線走向的影響也不同。

從圖7中可以看出，雙轉子永磁電機高磁密和低磁密出現在固定區域, 并且定子鐵心緊固件放在低磁密的物理區域時兩者沒有公用部分，即電機運行于該種情況時不會在定子鐵心緊固件上產生渦流損耗或者產生很小的渦流損耗。相反, 定子鐵心緊固件的位置改變將不同程度的影響到定子鐵心的飽和程度。

3 結 語

雙轉子電機是否采用定子固定裝置，定子固定裝置中的定子鐵心緊固件的材料選擇及安放位置等對該種電機的機械性能, 電磁性能有非常重要的影響, 可以得出以下結論:

(1) 定子固定裝置不但起到定子鐵心的軸向緊固、定子固定，而且還起到外轉子、定子、內轉子的同心定位作用。

(2)定子鐵心緊固件的材料應該選取強度比較高的, 比如不銹鋼, 并且在不干涉齒槽及繞組接線的前提下, 最大限度的增加直徑, 提高它的機械強度。

(3)定子固定裝置承受著整個定子重量對它施加的剪應力影響，需要增加異形連接座與定子壓圈和端蓋止口配合長度和止口高度并且異形連接座支承部位應有補強措施。

(4)縮短異形連接座的軸向尺寸，使端蓋的止口面在不影響定子端部走線的前提下盡量靠近定子, 可以降低異形連接座所受彎矩的影響，方便改善其載荷分布。

(5)定子鐵心緊固件的安放位置不同將導致鐵心不同程度的飽和。為了降低電機定子軛部磁密的局部飽和，定子鐵心緊固件的位置需放置在低磁密的地方。