盘式对转双转子永磁同步电机的设计和特性分析
双转子永磁电机工作原理
双转子永磁电机工作原理永磁电机是一种可以将电能转化为机械能的电机，它最常见的应用有风力发电机、水泵、风扇以及汽车中的起动机等，双转子永磁电机以其结构简单、性能可靠、效率高的特点，在节能减排和轻型化的需求下，越来越多的得到了广泛的应用。
双转子永磁电机是电动机的特殊形式，它有一个定子磁芯、一个被屏蔽的旋转子磁芯以及两个可以转动的转子。
定子磁芯通过定子线圈把磁通导到外部电路中，而旋转子磁芯因为被包裹在旋转极线绕组中，它能够被磁感应而产生转矩，从而产生电动机运转的能力。
双转子永磁电机的特点在于他的转矩适应能力强、工作稳定，最大的优点在于其无需电路而可以转动的特点，这也就是为什么双转子永磁电机是广泛应用在汽车启动上的原因。
双转子永磁电机的另一大特点是转动方向可以活变的，它的技术可以调节电机的启动转矩，从而满足客户的需求。
由于双转子永磁电机的设计比较简单，且可以简单地调节电机的启动转矩，使电机起动转矩更小，因此它在移动应用领域比较流行，它也广泛应用在电动汽车、仪器仪表、照明等领域中。
双转子永磁电机由于其设计结构简单，重量轻，散热性能良好，低噪音，可调节性强，电机起动转矩小、较低的制动损耗，在节能减排、轻型化的需求下，比其他电机更具有优势地位。
双转子永磁电机的工作原理是：当定子磁芯上的磁感应线圈接入一定电流后，就会产生磁场，该磁场经定子磁芯层层折射，就会产生一定的磁通，不但充斥定子磁芯本身，也充斥整个电机的室内，而由于旋转子的存在，旋转子也会受到定子磁场的影响而产生转动转矩。
因此，双转子永磁电机的转动转矩就完全取决于定子磁场的大小。
在双转子永磁电机的调节过程中，可以采用不同的方法来实现可调速度、可调节转矩、可调节功率等功能，比如通过调节定子电流大小来改变磁场大小和旋转子转矩，这个过程就是所谓的可调转矩控制；或者通过改变旋转子磁芯的极化方向来改变磁场的方向，从而调节电机转速，这个过程就是所谓的可调转速控制。
综上所述，双转子永磁电机是一种电动机特殊形式，它有着结构简单、性能可靠、效率高等特点，广泛应用于汽车启动、仪器仪表、照明等领域，它的转矩可调，转速可活变的神奇特性，让它深受用户的喜爱。
盘式永磁节能电机原理
盘式永磁节能电机原理
《盘式永磁节能电机原理》
盘式永磁节能电机是一种先进而高效的电机技术，在许多领域都得到了广泛的应用。
它的工作原理和传统的电机有所不同，充分利用了永磁体的特性，以提高电机的效率和节能性能。
首先，盘式永磁节能电机的设计采用了盘式磁体，即将磁体以盘状形式布置在电机的转子上。
这样的设计使得磁体能够更加均匀地分布在转子上，并且占用的空间也更小。
这不仅使得电机的体积更加紧凑，还能够减少能量损耗。
其次，盘式永磁节能电机采用了永磁体作为产生磁场的源头。
与传统的电机中使用的电磁绕组相比，永磁体具有更高的磁场强度和稳定性。
这样一来，电机在工作时所需的磁场能够更迅速地形成，并且能够更持久地维持在一个恒定的水平上。
这使得电机的启动、运行和停止过程更加高效和平稳。
另外，盘式永磁节能电机还引入了先进的控制算法和系统。
通过对电机的转子位置、电流和功率进行实时监测和调节，能够使电机的工作更加智能化和精准化。
这样的智能控制系统可以根据实际工作负载的变化，自动调整电机的工作状态，使其在任何负载下都能保持高效和稳定的性能。
综上所述，盘式永磁节能电机是一种基于盘式磁体和永磁体的先进电机技术。
它利用盘式磁体的设计和永磁体的特性，提高了电机的效率和节能性能。
同时，通过引入先进的控制算法和系统，使电机的工作更加智能和精准。
这种电机技术在能源领域和工业领域都具有广泛的应用前景，能够为社会带来更高效、更环保的电动设备。
盘式电机资料
04
盘式电机的设计与制造技术
盘式电机的设计原则与方法
盘式电机的设计原则
• 充分利用盘式电机的结构优势，提高性能 • 考虑盘式电机的特殊运行工况，确保运行安全 • 注重盘式电机的制造工艺性，降低制造成本
盘式电机的设计方法
• 基于磁场分析的设计方法 • 基于温度场分析的设计方法 • 基于振动和噪声分析的设计方法
CREATE TOGETHER
DOCS
谢谢观看
THANK YOU FOR WATCHING
盘式电机的制造工艺与设备
盘式电机的制造工艺
• 定子绕组的制造工艺：分布式绕组、集中式绕组等 • 转子永磁体的制造工艺：烧结、粘结等 • 轴的制造工艺：车削、磨削等
盘式电机的制造设备
• 绕组生产设备：绕线机、焊锡机等 • 永磁体生产设备：烧结炉、压机等 • 轴生产设备：车床、磨床等
盘式电机的设计与制造挑战
盘式电机的结构组成及特点
盘式电机的结构组成
• 定子：分布式绕组或集中式绕组 • 转子：永磁体或感应线圈 • 轴：连接转子和负载 • 壳体：保护内部结构
盘式电机的特点
• 结构紧凑，体积小，重量轻 • 效率高，功率密度大 • 运行平稳，噪音低，寿命长 • 便于集成和智能化控制
盘式电机的运行原理
盘式电机的运行原理
盘式电机在工业自动化中的应用
• 驱动电机：盘式电机适用于各种自动化设备，如机器人、数控机床等 • 辅助电机：盘式电机适用于各种辅助系统，如伺服系统、控制系统等
盘式电机在工业自动化中的需求
• 高速度，高精度，提高生产效率 • 高效率，低损耗，降低生产成本 • 高可靠性，长寿命，降低维护成本
盘式电机在其他领域的应用潜力
盘式电机的设计挑战
盘式无铁心永磁同步发电机的设计
布的， 有效导体位于永磁体前方的面上， 当永磁 体由原动机拖动至同步转速时， 将会在气隙中产 生与电枢绕组交链的旋转磁场， 从而在电枢绕组 中感应出交流电动势。 由于电机外壳和直接粘接于外壳的双侧磁 钢构成双转子， 定子电枢放置在双转子中间， 与 之形成双气隙结构。 只要定子设计合理， 制造精 确， 运行时作用在两侧转子上的磁拉力便可以相 互平衡， 使轴承不受轴向力， 延长电机的使用寿 命。 磁钢直接粘结在电机外壳上， 这样永磁体和 外壳之间没有相对运动， 有效的减少了电机的涡 流损耗。 电机绕组采用无槽、无铁心结构， 可以 减少由齿槽效应引起的电磁转矩脉动以及由铁 心带来的诸多弊端 [2]。 而且， 由于电枢绕组无铁 心， 磁路不存在饱和问题， 使电机质量减少、 损 耗降低、 效率增加。
π /p 0
Sm Bm 即B δ = Sδ σ 1 2 π α p（D 0 Sm= -D i2） 8p 1 2 Sδ = K F π α i（D 0 -D i2） 8p 永磁材料回复线为： Bm=- μ rμ 0Hm+Br
1 2 ΩBδav(D 0 -D i2) 8 Bδav = αj Bδmax
（11）
2012 年第 3 期 3
（24）
用电机外径尺寸表示， 则有： Pem= （25）
设定电机永磁体外半径、 电负荷最大值和气
个整体， 电机的设计参数如表1。
表1 项目 额定功率 额定电压 额定转速 磁极对数 磁钢外径 磁钢内径 磁钢材料 参数 200W 24V 140r/min 8 125mm 60mm N42H 设计参数 项目 磁钢厚度 相数 线规 匝数 线圈数 电枢盘厚度 单边 —永磁体提供每极磁通的面积； Sδ—每极气隙有效面积。 2.2 磁钢尺寸与电压和功率之间的关系 盘式电机中， 线圈绕组在半径方向的部分是 有效导体。 为方便估算， 以平均半径处的气隙磁 ， 则单根 密表示该机械角度下的气隙磁密B δ（θ） 导体产生的电动势e（θ）为： e(θ)=Ω
盘式永磁同步电动机磁场分析及研究
§1-1 盘式永磁同步电动机的研究历史和发展概况
1-1-1 永磁电机的发展概况 永磁电机的发展是与永磁材料的发展紧密相关的， 19 世纪 20 年代出现的世界上第一台电机就是永 磁电机，但由于当时所用的永磁材料是天然的磁铁矿石,磁能密度低，用它制成的电机体积庞大，不久 就被电励磁电机所取代。 20 世纪 30 年代出现的铝镍钴永磁和 50 年代出现的铁氧体永磁材料，磁性能有了很大的提高，使 得各种电机又采用永磁体励磁，但是由于铝镍钴永磁的矫顽力偏低，铁氧体永磁的剩磁密度不高，限制 了他们在永磁电机中的应用范围。到了 60 年代，稀土永磁材料问世，他们的高剩磁密度、高矫顽力、 高磁能积和线性退磁曲线的优异性能特别适合永磁电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时 期。 稀土永磁材料的发展相继经历了以下三个阶段： 60 年代中期和 70 年代发现的第一代和第二代稀土 钴永磁材料，到 80 年代研制成功了第三代稀土永磁材料——钕铁硼永磁材料。与此相对应，稀土永磁 电机的发展和研究也大致可以分成三个阶段：1)60 年代后期和 70 年代，由于稀土钴永磁价格昂贵，研 究开发的重点是航空、航天用电机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。2）80 年代，特别 是 1983 年出现的价格相对较低的钕铁硼永磁后，国内外的研究开发重点转到工业和民用电机上，再加 上电力电子器件和计算机控制技术的迅猛发展， 使得许多传统的电励磁电机被稀土永磁电机所取代。 3） 进入 90 年代以来，随着钕铁硼永磁材料性能的不断完善和提高，永磁电机正在向大功率化（高转速、 高转矩） 、高功能化和微型化方向发展，并且永磁电机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术都 有了新的突破，形成了以电磁场数值计算和等效磁路结合的分析研究方法和计算机辅助设计软件。 我国的稀土资源丰富，稀土矿的储量为世界之最，号称“稀土王国”，因此，充分发挥我国稀土资源 的优势， 大力研究和推广应用稀土永磁电机， 对我国社会主义现代化建设具有重要的理论意义和实用价 值。 1-1-2 盘式永磁同步电动机的国内外研究现状 盘式永磁同步电动机是轴向磁场电机的发展，1821 年法拉第发明的第一台电机就是轴向磁场盘式 永磁电机。但是由于它的定、转子存在轴向磁吸力、制造复杂等缺点被以后发展起来的常规电机也称为 径向磁场电机所取代。但是常规电机并非十全十美，由于齿根部的“瓶颈”现象，致使电机的散热不好、 铁心利用率低等问题一直困扰着电机工程技术人员；此外电机还存在着效率不高、转动惯量大、响应速 度慢等缺陷；而且当电机运行时，由于定转子的齿槽效应，使得电磁转矩脉动较大，从而限制了其应用
双转子径向永磁电机的设计与有限元分析
迫机 与拨 刮 应 用２ １ ３ １ ００ ７（ ） ，
双 转 子 径 向 永磁 电机 的 设 计 与 有 限 元 分 析 木
曹江 华 ， 杨 向宇 ， 肖如 晶 （ 南理 工 大学 ， 东 广州 华 广
摘
５０４ ） １ ６ ０
要： 介绍 了双转子径向永磁 电机 的基本结构 、 原理及特性 ， 用解析法分析 了其电感参数 的计算 ， 采 并
给出了设计依据 ， 最后利用有限元法对所设计 的电机进 行 了静态 磁场的分析 和电感计 算值 的验 证。结果表
明 ， 子径 向永磁 电机在磁场上可看作 由共用定子铁心的两个传统内 、 双转 外转子永磁电机并联 而成 ， 而电感计 算则可看作 串联 ， 电感 的解析值与有限元计算值 吻合得较好 ， 明了电机分析和设计的可行性 。 证
Ｒａ ｉｌＦｌ ｘ Ｐｅ ｍ ａ ｎ ａ ｎｅ ｏ ｏ ｄ ａ － ｕ ｒ ｎｅ ｔＭ ｇ ｔＭ ｔ ｒ
Ｃ ０ Ｊａｇ ｈａ， Ｙ Ｎ ｉｎ －ｕ ＸＡ ｕ ｉ Ａ ｉｎ —ｕ Ａ ＧＸａ ｇｙ ， Ｉ Ｏ Ｒ －ｎ ｊｇ
（ ｏ ｔ Ｃ ｉａＵ ｉ ｒｉ ｆ ｅｈ ｏ ｇ ， ｕｎ ｚｏ １６ ０ ｈｎ ） Ｓ ｕｈ ｈｎ ｎｖ ｓｙｏ ｃｎ ｌ ｙ Ｇ ａ ｇｈ ｕ５ ０ ４ ，Ｃ ｉａ ｅ ｔ Ｔ ｏ
ａ ｄ ｏ ｅ ｅ ｍａ ｅ ｔｍａ ｅ ｔｒｓ ｒ ｄ ａ ｃ ｍ ｍｏ ｔ ｔｒｃ ｒ ｎ ｈ ｎ ｕ ｔ ｎ ｅ Ｗａ ｏｍ ｅ ｉ ｅ ｅ ． Ｍ ｏ ｅ ｖ ｒ ｎ ｕｔｒｐ ｒ ｎ ｎ ｇ ｔｍｏｏ ｈａｅ ｏ ｎ ｎ ｓａｏ ｏ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｉ ｄ ｃ ａ ｃ ｓ ｆ ｒ ｄ ｎ ｓ ｒ ｓ ｉ ｒｏｅ ，
ｈ ｎ ｕ ｔｎ ｅ Ｖ ｅ ａｃ ｌｔｄ ｂ ｎ ｔ ａ ｄ ｆ ｉ ｅ ｅ ｎ ｈ ｄ ｍａｃ ｅ ｌ ｎ ｓｖ ｒ ｙ ｔ ｅｆ ｓ ｂ ｌ ｙ ｏ ｔｅ ｉ ｄ ｃａ ｃ ａｕ ｓｃ ｌｕ ａｅ ｙ ｔ ｅ ａ ａｙｉ ｎ ｎ ｔ— ｌｍｅ ｔ ｔ ｏ ｔｈ ｗ ｌ ａ ｄ ｔ ｕ ｅ ｆ ｈ ａ ｉ ｉ ｔ ｆ ｌ ｈ ｌ ｃ ｉ ｅ ｍｅ ｈ ｉ ｅ ｉ
双转子永磁电机综述
双转子永磁电机综述
1 双转子永磁电机概述
双转子永磁电机是一种比一般的三相异步电机更加复杂的电机性能。
它具有双转子的特点，可以实现分段处理电能，使启动、调速和停止更加简单。
双转子永磁电机可以根据电力需求和改变，调节电机速度和功率，使用户获得更高性能。
2 双转子永磁电机结构
双转子主体结构主要由有向永磁和两个转子组成：一个名为堵转子的外部转子，另外一个为内部的驱动转子，它们分别通过两种不同的系统连接，外部转子使用三相异步电动机的重启原理，而内部转子则使用永磁连接，使用其控制特性可以改变电机的转速。
3 双转子永磁电机优势
双转子永磁电机的优势在于它具有非常稳定的性能、高能效和低噪声。
它还可以节省资源，减少电力损耗，同时它也具有更高的刚性和尺寸，从而实现空间有效利用。
#4 应用范围
双转子永磁电机广泛应用于各种工业机械上，如风机、泵、压缩机等，以及汽车、家电、通讯设备、医疗设备等，用于调整设备的工作参数和实施精确控制，以满足各种不同的工业要求。
双转子永磁同步电机的磁路建模和磁场分析
双转子永磁同步电机的磁路建模和磁场分析赵锋辉【摘要】为了研究双转子永磁同步电机的设计方法,对电机定子中异向旋转的耦合磁场进行了分析.引入定子铁心径向磁阻和切向磁阻,建立电机的等效磁网络模型,将双转子异向旋转产生的并联磁路和串联磁路交替问题简化为单一的并联磁路问题,得到电机的磁场分析方法.在内外转子上采用不同材料的永磁体,通过优化内外转子半径比,使两个转子产生等大反向的转速和电磁转矩.最后通过有限元分析方法验证了这种设计方法和等效磁网络模型的有效性.【期刊名称】《电气传动自动化》【年(卷),期】2013(035)004【总页数】6页(P5-10)【关键词】双转子永磁同步电机;等效磁网络模型;径向磁阻;切向磁阻;有限元分析【作者】赵锋辉【作者单位】中国重型机械研究院有限公司,陕西西安710032【正文语种】中文【中图分类】TM3411 引言水下航行器航行过程中需要稳定姿态，大多采用对转螺旋桨推进系统以克服陀螺效应［1]。
双转子永磁同步电机［2]（双转子PMSM）有两个机械输出端口［3]，可直接驱动对转螺旋桨推进系统，比功率大、可靠性高；转矩脉动小、散热效果好、无陀螺效应，在水面舰船和水下自主航行器（UUV）等电力推进领域具有广阔的应用前景[4,5]。
文献［2]将双转子PMSM分解为内电机和外电机（定子内侧绕组和内转子构成内电机，定子外侧绕组和外转子构成外电机），讨论了其工作原理和电磁模型；文献［6]研究了双转子电机的电感参数、永磁电势及齿槽转矩；文献［7]对双转子永磁发电机进行了仿真和控制策略研究。
但双转子PMSM的内外电机串联磁路和并联磁路交替出现，用传统永磁电机设计方法很难兼顾。
已经研制出的样机中内外电机的转矩和转速相差较大，必须通过行星齿轮加以同步，而且须重新设计与内外转子功率匹配对转螺旋桨推进器。
本文采用特殊的永磁体结构和双转子尺寸配合方法，使双转子输出相同的转速和转矩，可直接驱动普通对转螺旋桨；采用等效磁网络模型回避了串联磁路和并联磁路问题，探讨了具有普遍意义的双转子PMSM分析方法。
永磁辅助同步磁阻电机转子设计与特性分析
2020年第2期第55卷（总第213期）彷爆吃机(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE)永磁辅助同步磁阻电机转子设计与特性分析胡勇峰，贾广隆(中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南株洲412001)摘要为提高同步磁阻电机性能和降低永磁电机磁钢成本，研究了一种U型转子结构永磁辅助同步磁阻电机(PM-assisted Synchronous Reluctance Motor,PMaSynRM)，磁钢采用铁氧体材料，PMaSynRM同时兼备了同步磁阻电机和永磁电机的特性。
在详细介绍PMaSynRM的结构和运行原理的基础上，利用有限元软件Ansoft建立不同转子结构电机模型，分析转子磁障层数量、导磁层与磁障层宽度比、磁钢占有率对电机性能的影响，最终确定了转子结构参数方案。
对一台6极36槽PMaSynRM的运行特性和性能进行仿真分析，效率可达96.3%,并与同步磁阻电机进行对比分析，结果表明PMaSynRM性能明显优于同步磁阻电机，为PMaSynRM进一步研究奠定了技术基础。
关键词同步磁阻电机;永磁辅助;铁氧体;磁阻转矩;有限元DOI：10.3969/J.ISSN.1008-7281.2020.02.04中图分类号:TM303.5文献标识码:A文章编号:1008-7281(2020)02-0013-005Rotor Design and Characteristic Analysis on PM-AssistedSynchronous Reluctance MotorHu Yongfeng and Jia Guanglong(CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Institute Co.,Ltd.,Zhuzhou412001,China)Abstract In order to improve the performance of synchronous reluctance motor and reduce the magnetic steel cost of PM motor,a kind of PM-assisted Synchronous Reluctance Motor(PMaSynRM)with U-shaped rotor structure is studied in this paper.The magnetic steel adoptsferrite material,and PMaSynRM has the characteristics both synchronous reluctance motor andPM motor.On the basis of the detailed instruction of PMaSynRM in structure characteristic andworking principle,the models of motors with various rotor structures are established by finite-el・ement software Ansoft,and the parameters affecting the operating performance of motor are analyzed such as the amount of flux-barrier layer,the width ratio of magnetic layer to flux-barrierlayer and the occupancy of magnetic steel.Finally,the parameter scheme of rotor structure isdetermined.The simulation analysis on operational characteristic and performance of a6-pole36-slot PMaSynRM is carried out,the efficiency of it can reach96.3%.Through comparingand analyzing with synchronous reluctance motor,the result shows that the performance ofPMaSynRM is obviously better than that of synchronous reluctance motor.It lays a technical basis for further research of PMaSynRM.Key words Synchronous reluctance motor；PM assisted；ferrite；reluctance torque；finite elemento引言永磁同步电机因其结构简单、可靠性高、效率高、功率密度高等优点，在电动汽车、风力发电、轨道交通、航天等领域获得了广泛应用。
永磁同步电动机原理与分析
永磁同步电动机原理与分析
永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）是一种采用永磁体作为励磁源的同步电动机，相比传统的感应电动机具有更高的效率、功率密度和响应性能。
以下将对永磁同步电动机的工作原理和分析进行详细介绍。
一、永磁同步电动机的工作原理
1.定子部分：定子是由绕组、磁极和铁芯组成的。
绕组通过接通电源来产生定子磁场，绕组中的电流按照一定的规律进行调节，使得磁极之间的磁场呈现为正弦波形。
2.转子部分：转子是由永磁体和铁芯组成的。
永磁体可以为硬磁性材料，通过其产生一个固定的磁场，与定子的磁场相互作用，产生转矩。
当定子的绕组通电时，定子的磁场是旋转磁场，与转子的磁场相互作用，产生转矩。
由于转子的磁场是由永磁体提供的，所以称之为永磁同步电动机。
二、永磁同步电动机的分析
对于永磁同步电动机的分析，主要包括电磁特性分析和运动特性分析两个方面。
1.电磁特性分析：
2.运动特性分析：
运动特性分析还包括转矩与转速之间的关系。
转矩大小与永磁体和定子磁场之间的相对位置有关，当两者之间的磁场相互作用达到最大时，产生的转矩也会达到最大。
此外，还需要对永磁同步电动机进行电磁特性计算、变磁链接计算以及功率因数的分析，来进一步了解电机的性能特点。
总结：
永磁同步电动机是一种采用永磁体作为励磁源的同步电动机，具有高效率、功率密度和响应性能等特点。
其工作原理是通过定子磁场和转子磁场之间的相互作用来产生电磁转矩。
在分析方面，需要对电磁特性和运动特性进行分析，以了解电机的性能特点。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
盘式对转双转子永磁同步电机的设计和特性分析黄守道;成双银;罗德荣;饶志蒙;沈风顺;王家堡【摘要】This paper analyzes an axial-flux permanent magnet synchronous motor (PMSM) with contra-rotating rotors used for contra-propeller driving.A preliminary design method for the motor is proposed in this paper and its main size equation is obtained.A 3D FEA software is used to model this motor and transient simulations are carried out to obtain its magnetic characteristic and main performances.A main focus is put on the back-emf characteristic with different angular positions between the two rotors.Finally,a 2.2 kW prototype is fabricated to validate the analysis of this paper.%针对一种对转螺旋桨驱动用盘式对转双转子永磁同步电机进行了分析,提出了该电机的基本设计方法,得到了电机主要尺寸参数的设计方程;利用有限元软件对该电机进行了三维建模和动态仿真分析,得到了其磁路特性和主要性能参数,并重点分析了两个永磁转子存在位置差时电机总反电动势波形的特点,利用有限元结果对永磁转子所受的轴向磁拉力进行了计算和分析;最后对所设计的2.2 kW电机样机进行了试验验证.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2017(032)023【总页数】9页(P72-80)【关键词】盘式;对转双转子;永磁同步电机;设计方法;特性分析【作者】黄守道;成双银;罗德荣;饶志蒙;沈风顺;王家堡【作者单位】湖南省绿色汽车协同创新中心(湖南大学) 长沙 410082;湖南省绿色汽车协同创新中心(湖南大学) 长沙 410082;湖南省绿色汽车协同创新中心(湖南大学) 长沙 410082;湖南省绿色汽车协同创新中心(湖南大学) 长沙 410082;上海交通大学电子信息与电气工程学院上海 200240;湖南省绿色汽车协同创新中心(湖南大学) 长沙 410082【正文语种】中文【中图分类】TM341对转螺旋桨用于水下推进可以提高推进效率高达15%，被广泛用于船舶推进。
同时由于可以保持被推进体的平衡，也广泛用于鱼雷等水下航行器驱动[1]。
对转双转子永磁同步电机是一种应用于对转螺旋桨[2]驱动的特种电机。
该电机有两个独立永磁转子和一个带有一套三相绕组的定子，三相绕组通过交叉环绕[3]的方式绕在定子铁心上。
通入三相电流后，定子铁心两侧产生一对同速反向的旋转磁场。
两个独立的永磁转子分别与两个螺旋桨相连，在定子反向旋转磁场的作用下，两个永磁转子驱动两个螺旋桨反向同速旋转。
该电机相当于将两台永磁电机复合成一台电机，其优点是结构简单紧凑、重量轻，非常适合在水下航行器等对驱动系统有空间和重量限制的场合，同时该电机采用一台三相驱动器，成本低，缺点是控制难度大。
对转双转子永磁同步电机可以采用盘式结构和径向结构。
文献[4,5]对径向结构的对转双转子永磁同步电机进行了分析，建立了该电机磁场的解析表达式。
文献[6]设计和验证了一台径向结构的对转双转子永磁直流无刷电机，用于水下航行器对转螺旋桨的驱动。
盘式对转双转子永磁同步电机[2]最早由意大利罗马大学的F. Caricchi教授提出，其结构如图1所示，两个相互独立的永磁转子通过内外嵌套输出轴的方式输出机械能，分别驱动两个螺旋桨。
文献[7,8]对径向对转双转子永磁电机进行了仿真研究。
文献[7]研究了无槽对转双转子永磁电机定子铁心厚度对于定子两侧电枢绕组磁链的影响，结果表明当定子铁心厚度小于一定值时，定子两侧电枢绕组磁链会相互干扰，导致三相磁链不平衡。
文献[8]主要研究了有槽对转双转子永磁电机两个转子存在位置差时，电机反电动势变化以及齿槽转矩情况，其表明电机的反电动势幅值会随两个转子位置的增大而减小。
文献[9]基于直接转矩控制方法对径向结构的对转双转子永磁同步电机的控制进行了仿真研究。
文献[10,11]研究了基于矢量控制的盘式对转双转子永磁同步电机的控制，实验验证了在负载不平衡或扰动下两个永磁转子不失步，系统稳定。
随着世界海洋资源开发力度的加大以及军事竞争的需要，水下航行器的需求越来越大，同时对驱动器的性能要求也越来越高。
盘式对转双转子永磁同步电机相比径向结构的同类电机具有散热好、结构对称等优点，在水下航行器上有广阔的应用前景。
因此，有必要对该类电机的设计方法进行研究。
对转双转子永磁同步电机在动态和负载不平衡的条件下，两个永磁转子的转矩角会不相等[11]，因而两个永磁转子在定子绕组中叠加的反电动势产生畸变，造成电机输出转矩的波动。
因此，也有必要对负载不平衡下盘式对转双转子永磁同步电机的反电动势特性进行研究。
盘式对转双转子永磁同步电机定、转子之间轴向磁拉力大，对电机轴向磁拉力的计算和分析是电机机壳结构强度设计和轴承承载能力设计的基础。
本文分析了盘式对转双转子永磁同步电机运行的基本特性；提出了该电机的基本设计方法，得出了其主要的尺寸设计方程，并列出了设计样机的主要参数；对两个永磁转子存在位置差时的电机总反电动势特性进行了分析；对以上设计方法和分析进行了三维有限元分析和验证；对永磁转子所受的轴向磁拉力进行了计算和分析；最后对所设计的 2.2kW电机样机进行了试验验证。
盘式电机按定、转子数量可分为单定子-单转子电机、单定子-双转子电机、双定子-单转子电机以及多定子-多转子电机等多种形式[12]。
本文研究的对象属于单定子-双转子电机，也是盘式电机中较常见的结构形式。
单定子-双转子永磁电机的定子绕组一般采用环形绕组的形式（该种电机国外文献中称为TORUS machine[13]），其特点是绕组端部很短，电机铜损小，效率高[14,15]。
TORUS永磁电机分有槽（TORUS-S）和无槽（TORUS-NS）两种。
TORUS-NS永磁电机定子制作简单、电机漏感小、转矩波动小，缺点是永磁体用量较多。
TORUS永磁电机按磁路形式还可以分为NN型和NS型[16,17]，如图2所示。
如图2a所示，NN型TORUS永磁电机两边转子永磁体的N、S极同极相对，分别与该侧的气隙、绕组以及部分定子铁心形成并联磁路，两条并联磁路在圆周方向经由定子铁心。
在定子铁心足够厚的情况下，两条磁路互不干涉。
如图2b所示，NS型TORUS永磁电机两边转子永磁体的 N、S极异极相对，与两侧的气隙和定子绕组形成一条串联磁路。
该串联磁路直接轴向穿过定子铁心，不经过定子铁心圆周方向。
NS型 TORUS永磁电机的一种变形即无铁心双转子永磁电机，其特点是电机铁损很小，但电机电抗小、电流脉动大、电机控制困难。
该电机的另一个特点是只能采用叠绕组，因此没有环形绕组端部短、铜损小的优点。
本文研究的盘式对转双转子永磁同步电机在结构上与TORUS-NS永磁电机相似，它们的区别之一在于绕组形式。
图3a为盘式对转双转子永磁同步电机的绕组形式，由虚线所示绕组端部可知，定子绕组的A、B两相绕组是交叉环绕在铁心上，这样，定子铁心两侧绕组的相序相反，通入三相交流电后，定子两侧将产生一对方向相反的旋转磁场。
图3b为TORUS-NS永磁电机的绕组形式，定子铁心两侧各相对的绕组通过虚线所示的绕组端部相连，形成各环形绕组。
与图3a不同的是，此时定子铁心两侧的旋转磁场方向相同。
区别之二在于 TORUS-NS永磁电机的两个永磁转子是固定的，而本文研究的盘式对转双转子永磁同步电机的两个永磁转子相互独立。
如 1.1节所述，通入三相对称电流后，盘式对转双转子永磁同步电机定子铁心两侧将产生一对方向相反的旋转磁场，在旋转磁场的作用下，两个永磁转子同步跟随旋转，实现所谓的“对转”。
通过矢量控制的方式对三相对称电流进行调制和控制，从而“干预”产生的定子旋转磁场，实现对永磁转子的控制，具体控制方式可参见文献[11]。
运行中，两个永磁转子相对位置时刻变化，在不同时刻两个永磁转子形成的磁路形式不同。
图 4为通过三维有限元方法获得的盘式对转双转子永磁同步电机运行中两个特定时刻的空载磁路情况。
图4a为定子铁心两侧N极与N极相对时的磁路，如黑色箭头所示，此时相当于NN型TORUS-NS永磁电机的磁路。
图4b为定子铁心两侧N极与S极相对时的磁路，如黑色箭头所示，此时相当于NS型TORUS-NS永磁电机的磁路。
图4中白色箭头为转子的转动方向。
由此可见，运行中盘式对转双转子永磁同步电机的磁路是NN与 NS两种磁路形式以及介于两者之间的磁路形式交替出现的。
两种磁路在设计上的区别在于定子铁心厚度的设计，NN型磁路要求的铁心厚度最宽，因此按NN型磁路设计铁心宽度即可满足要求。
由上述分析可知，盘式对转双转子永磁同步电机可以依据NN型磁路来进行尺寸的设计，即可以按照 NN型 TORUS-NS永磁电机来进行设计。
该电机的两个永磁转子以盘式定子铁心的中心平面对称，因此可以以定子铁心中心对称面分割的任一侧为分析对象，即以单定子-单转子结构来设计该电机，如图 5所示。
图 5中，Lm为永磁体厚度，WCu为绕组厚度；Do为定子铁心外径，Di为定子铁心内径。
盘式单定子-单转子的平均电磁功率可通过反电动势和电流获得[12]，即式中，η为电机效率；m为电机的相数；e(t)为相反电动势瞬时值；i(t)为相电流瞬时值；T为一个相反电动势波形周期；Kp为考虑电动势和电流波形的功率波形系数[12]。
反电动势为磁链的微分，一相磁链表达式可以通过对气隙磁通密度在相绕组内的积分获得，即式中，λ为一相磁链；Bg为气隙磁通密度，为了简化计算，可认为绕组中气隙磁通密度是均匀的；R为电机径向的变量；θ为一个磁极范围内的角度。
通过式（2）可以得到相反电动势波形峰值的表达式为式中，Ke为电机绕组系数；Nph为相绕组匝数；ω为电机速度；Kr为电机内径与外径的比值。
电机的输出功率与其电负荷和磁负荷有关，其中相电流、绕组匝数以及电机直径等决定了电机的电负荷。
盘式电机径向的安匝数相同，因此，不同半径处其电负荷大小不同，取其中间半径计算，则盘式电机电负荷的表达式为式中，Irms为相电流有效值；Da为定子铁心内、外径平均值。