陳 純，張 帆

（1.長春理工大學(xué)機電工程學(xué)院，吉林長春 130022；2.中石化中原石油工程有限公司，河南濮陽 457164）

基于充磁方向相反的雙轉(zhuǎn)子電機磁場問題研究

陳 純1，張 帆2

（1.長春理工大學(xué)機電工程學(xué)院，吉林長春 130022；2.中石化中原石油工程有限公司，河南濮陽 457164）

雙轉(zhuǎn)子永磁電機由內(nèi)外兩個電機構(gòu)成，其內(nèi)外電機磁場之間會互相干擾。通過改變定子軛部厚度，可以改變內(nèi)外電機磁場之間的耦合情況。分析了電機內(nèi)部磁路結(jié)構(gòu)，通過有限元軟件，研究了在內(nèi)外永磁體充磁方向相反時，電機磁場互不干擾的定子軛部厚度問題，進一步優(yōu)化了電機結(jié)構(gòu)。

雙轉(zhuǎn)子電機；定子；磁場解耦

0 引言

為了提高電機的工作性能，充分利用電機內(nèi)部空間，Ronghai Qu博士和T.A.Lipo博士于2003年提出了一種新型特殊結(jié)構(gòu)電機——雙轉(zhuǎn)子永磁結(jié)構(gòu)電機。通過一系列的研究表明，雙轉(zhuǎn)子電機的輸出轉(zhuǎn)矩密度明顯高于傳統(tǒng)單轉(zhuǎn)子電機。徑向磁場雙轉(zhuǎn)子永磁電機因其獨特的機械結(jié)構(gòu)而具有諸多優(yōu)點，可以運用在水下航行器螺旋槳推進系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等特殊場合中[1-3]。

1 磁場耦合分析

雙轉(zhuǎn)子電機可以看作是由兩臺永磁電機結(jié)合在一起，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中內(nèi)外轉(zhuǎn)子共用一個定子，內(nèi)外兩臺電機之間必然存在著磁場的耦合。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

雙轉(zhuǎn)子電機中存在著內(nèi)外兩層氣隙，如果內(nèi)電機的磁場進入外氣隙中，或者外電機的磁場進入到內(nèi)氣隙中，就會互相干擾從而影響電機性能。在所研究的雙轉(zhuǎn)子電機結(jié)構(gòu)中，理論上只要定子厚度一定，內(nèi)外永磁體產(chǎn)生的磁場就會通過各自的氣隙通過定子鐵芯找到各自的磁場回路，而不會進入另一個氣隙中對其磁場造成干擾。而如果把定子軛部厚度值設(shè)計的很大，電機內(nèi)外永磁體產(chǎn)生的磁場就不會互相干擾。但是定子軛部厚度過大，就會增加電機的整體尺寸，甚至?xí)ルp轉(zhuǎn)子電機的兩臺電機合二為一的結(jié)構(gòu)緊湊的特性。

2 有限元分析

本文建立了二維仿真模型，用Ansoft Maxwell 15.0仿真分析軟件在電機空載時對電機內(nèi)部內(nèi)外永磁體充磁方向相反時進行了分析。電機為3相8極24槽永磁同步電動機[4]，內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體外徑29.6 mm，內(nèi)外氣隙均為0.7 mm。保持內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心尺寸和內(nèi)電機永磁體尺寸不變，改變定子和外轉(zhuǎn)子尺寸結(jié)構(gòu)。內(nèi)外永磁體均采用稀土永磁材料NdFe35，定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯均采用硅鋼片D21_ 50，定子繞組為單層環(huán)形繞組。初始值取定子軛部厚度為7.4 mm。

仿真分析中忽略電機漏磁場的影響，電機內(nèi)部磁場全部由永磁體產(chǎn)生。初始值定子軛部厚度為7.4 mm條件下內(nèi)外電機氣隙磁密值如圖2所示。

圖2 電機內(nèi)外氣隙磁密曲線

為了減小內(nèi)外電機磁場之間的耦合，進一步研究定子軛部厚度與內(nèi)外磁場之間的關(guān)系，在保持內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵芯尺寸和內(nèi)電機永磁體尺寸以及內(nèi)外電機氣隙長度不變的前提下，相應(yīng)改變定子軛部厚度和外轉(zhuǎn)子尺寸對電機進行分析。數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，充磁方向相反時，隨著定子厚度的增加，內(nèi)電機氣隙磁密值逐漸增大，當(dāng)達到一定值時，內(nèi)轉(zhuǎn)子氣隙磁密幅值不再變化；而外電機氣隙磁密值逐漸減小，當(dāng)達到一定值時，外氣隙磁密幅值也不再變化。這是因為當(dāng)定子厚度較小時，內(nèi)電機永磁體所產(chǎn)生的磁場與外電機永磁體產(chǎn)生的磁場發(fā)生了耦合，在外氣隙中互相疊加，使外電機磁場增大；當(dāng)定子厚度增加時，內(nèi)電機磁場與外電機磁場耦合較少，通過定子與內(nèi)電機永磁體的磁通回路數(shù)增多，因而內(nèi)氣隙的磁密增加，外氣隙的磁密減小；繼續(xù)增加定子厚度，內(nèi)外電機產(chǎn)生的磁場將會通過定子形成各自的磁通回路，而不會互相干涉，內(nèi)外氣隙磁密幅值維持不變。因而繼續(xù)增加定子軛部厚度對內(nèi)外電機氣隙磁密的增加沒有明顯作用。此時，內(nèi)外磁場不再互相干涉。內(nèi)外電機磁力線分布如圖4所示。

圖3 外電機氣隙磁密幅值隨定子軛部厚度的變化

圖4 充磁方向相反磁力線圖

3 結(jié)論

本文對相反充磁方向的徑向磁場雙轉(zhuǎn)子永磁電機進行了靜態(tài)磁場分析，重點研究了改變定子軛部厚度對電機內(nèi)部磁場耦合的影響。結(jié)果表明，當(dāng)定子軛部厚度增加時，可以實現(xiàn)內(nèi)外電機磁場之間的解耦。這對于提高材料利用率和充分利用電機內(nèi)部空間是非常有利的。

［1］Qu R，Lipo T A.Dual-ro?tor，radial-flux，toroidal?ly wound，permanent-mag?net machines［J］.Indus? try Applications，IEEE Transactions on， 2003，39（6）：1665-1673.

［2］Qu R， Lipo T A.Design and optimization of dual-ro?tor， radial-flux， toroidally-wound， permanent-mag?net machines［C］.//Industry Applications Confer?ence，38th IAS Annual Meeting.Conference Record of the IEEE，2003：1397-1404.

［3］曹江華，楊向宇，姚佳.雙轉(zhuǎn)子永磁同步風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計與應(yīng)用［J］.微電機，2008，41（2）：65-66.

［4］徐衍亮，王法慶，馮開杰，等.雙轉(zhuǎn)子永磁電機電感參數(shù)，永磁電勢及齒槽轉(zhuǎn)矩［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2007，22（9）：40-44.

Study of the Magnetic Field of the Dual-Rotor Permanent-Magnet Machine Based on the Opposite Magnetization Direction

CHEN Chun1，ZHANG Fan2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Changchun University of Science and Technology Changchun130022，China；2.Sinopec Zhongyuan Petroleum Engineering Co.，Ltd，Puyang 457164，China）

Dual-rotor permanent-magnet motor consists of both inner and outer motors，the magnetic field between inner rotor and outer rotor interferes with each other.By changing the thickness of the stator yoke，the coupling problem can be changed.This paper analyzes the structure of the magnetic field inside the motor，studies the thickness problems of stator yoke between the inner and outer motor when the permanent magnet of the inner and outer motor in the opposite direction of magnetization without interference by using the finite element software.This achieves the purpose to optimize the structure of the motor.

DPRM；stator yoke；magnetic field decoupling

TM301.4+4

：A

：1009－9492(2014)11－0037－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.010

陳 純，男，1991年生，湖北天門人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：機電系統(tǒng)控制與技術(shù)。

(編輯：阮 毅)

2014－05－16