王晨

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系, 安徽蕪湖241000)

Halbach磁齒輪復(fù)合電機(jī)的分析與研究

王晨

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系, 安徽蕪湖241000)

將磁齒輪與傳統(tǒng)永磁電機(jī)相結(jié)合，構(gòu)成磁齒輪復(fù)合電機(jī)，可減小摩擦損耗、提高傳動(dòng)效率。研究復(fù)合電機(jī)的傳動(dòng)機(jī)理，分析比較徑向充磁與Halbach充磁復(fù)合電機(jī)的磁場(chǎng)分布規(guī)律，建立電機(jī)的時(shí)步有限元分析模型，綜合考慮諧波磁場(chǎng)和斜槽的影響，對(duì)兩種電機(jī)的氣隙磁密及損耗分布進(jìn)行對(duì)比分析，分析不同轉(zhuǎn)速下兩種電機(jī)的渦流損耗及鐵耗分布規(guī)律。結(jié)果表明，較傳統(tǒng)的徑向式結(jié)構(gòu)，Halbach磁齒輪傳動(dòng)復(fù)合電機(jī)具有諧波含量小、鐵耗小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的槽口寬度對(duì)永磁體渦流損耗產(chǎn)生較大的影響，選擇合理的槽口寬度可減小損耗，進(jìn)一步提高電機(jī)的效率。

Halbach；復(fù)合電機(jī)；渦流損耗；磁密

引言

相較傳統(tǒng)的機(jī)械齒輪，磁場(chǎng)調(diào)制型磁齒輪利用調(diào)磁塊改變氣隙磁導(dǎo)，使得內(nèi)外永磁體均參與了轉(zhuǎn)矩的傳遞，由于傳遞過(guò)程中不存在機(jī)械摩擦，使得該傳動(dòng)裝置具有輸出轉(zhuǎn)矩密度大、噪聲低、不存在機(jī)械損耗、傳動(dòng)效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。鑒于磁齒輪的諸多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者將磁場(chǎng)調(diào)制型磁齒輪和永磁電機(jī)相結(jié)合，構(gòu)成磁齒輪復(fù)合電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了低速大轉(zhuǎn)矩的直接驅(qū)動(dòng)方式，同時(shí)利用了磁齒輪的內(nèi)部空間，提高了整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的效率[1-2]。此外，此類電機(jī)具有功率密度大、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于電動(dòng)汽車，可省去機(jī)械齒輪箱，減小了體積，提高了傳動(dòng)的效率，增加了燃料的利用率；將其應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械齒輪，解決了風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速匹配問(wèn)題，提高了整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)的效率[3-4]。

與普通的永磁電機(jī)相比較，此類電機(jī)存在內(nèi)外兩層永磁體，且內(nèi)外永磁體間存在調(diào)磁塊，較多的永磁體以及調(diào)磁塊引起較大的渦流損耗和鐵耗，鐵耗的準(zhǔn)確計(jì)算及分析對(duì)此類電機(jī)的應(yīng)用具有較大意義。文獻(xiàn)[5]是國(guó)內(nèi)關(guān)于磁齒輪復(fù)合電機(jī)的第一篇博士論文，提出一種新型磁齒輪復(fù)合電機(jī)，利用解析法研究各部分磁密的變化規(guī)律，得出一些結(jié)論；文獻(xiàn)[6]在分析磁密分布的基礎(chǔ)上，采用全局解析法計(jì)算Halbach磁齒輪的氣隙磁場(chǎng)與電磁轉(zhuǎn)矩，得出Halbach磁齒輪所得轉(zhuǎn)矩更大，更接近正弦。文獻(xiàn)[7]將調(diào)制型磁齒輪與永磁無(wú)刷電機(jī)在機(jī)械和磁場(chǎng)上同時(shí)耦合，采用有限元方法分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響，通過(guò)樣機(jī)驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的有效性。上述文獻(xiàn)僅僅是對(duì)磁齒輪復(fù)合電機(jī)的靜態(tài)特性和理論進(jìn)行分析研究，對(duì)復(fù)合電機(jī)的鐵損耗分析研究的尚不多見(jiàn)。

在徑向充磁磁齒輪復(fù)合電機(jī)的基礎(chǔ)上，研究一種Halbach拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的磁齒輪傳動(dòng)復(fù)合電機(jī)，建立不同復(fù)合電機(jī)的二維有限元分析模型，計(jì)算不同層氣隙磁密分布情況，針對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)的鐵耗計(jì)算模型，利用二維時(shí)步有限元計(jì)算方法計(jì)算復(fù)合電機(jī)的調(diào)磁塊、永磁體的損耗分布情況，提出減小復(fù)合電機(jī)鐵耗的一些方法，為提高磁齒輪復(fù)合電機(jī)的效率奠定基礎(chǔ)。

1磁齒輪傳動(dòng)機(jī)理

磁齒輪復(fù)合電機(jī)的模型如圖1所示。電機(jī)由內(nèi)至外分別由外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的定子、定子繞組，電機(jī)永磁體，磁齒輪內(nèi)永磁體，調(diào)磁塊，磁齒輪外永磁體，磁齒輪外轉(zhuǎn)子。圖1(a)為永磁體普通的徑向式結(jié)構(gòu)，圖1(b)為采用Halbach結(jié)構(gòu)的永磁體。復(fù)合電機(jī)為雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，最內(nèi)層為磁極對(duì)數(shù)為3的外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)，磁齒輪的內(nèi)轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)pin=4，外轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)pout=17，調(diào)磁塊位于內(nèi)外磁極之間，根據(jù)磁齒輪傳動(dòng)的機(jī)理，中間調(diào)磁塊的個(gè)數(shù)為內(nèi)轉(zhuǎn)磁極對(duì)數(shù)之和。內(nèi)外轉(zhuǎn)子的角速度關(guān)系為[8-10]：

(1)

圖1磁齒輪復(fù)合電機(jī)示意圖

2氣隙磁密計(jì)算

2.1有限元模型建立

當(dāng)復(fù)合電機(jī)工作時(shí)，永磁同步電機(jī)帶動(dòng)磁齒輪高速轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，根據(jù)磁齒輪傳動(dòng)的原理，高速轉(zhuǎn)子帶動(dòng)低速外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩的要求。兩者之間的轉(zhuǎn)速比為內(nèi)外層磁極對(duì)數(shù)之比。

在研究磁齒輪傳動(dòng)復(fù)合電機(jī)原理的基礎(chǔ)上，建立電機(jī)的二維電磁場(chǎng)有限元分析模型，得到兩者復(fù)合電機(jī)空載情況下的磁力線分布，如圖2所示。

圖2磁齒輪復(fù)合電機(jī)磁力線分布圖

由圖2可知，相較普通的徑向充磁，內(nèi)外層永磁體采用Halbach充磁后，復(fù)合電機(jī)的軛部磁密明顯減少，氣隙磁通明顯增強(qiáng)。永磁同步電機(jī)與磁齒輪的耦合能力更強(qiáng)，提高了電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能和齒輪的傳動(dòng)效率。

2.2氣隙磁密分析

Halbach磁齒輪復(fù)合電機(jī)內(nèi)外層永磁體均采用Halbach充磁的方式，各永磁體的形狀相同，充磁具有一定的規(guī)律[6,11]。假設(shè)該復(fù)合電機(jī)每極都由n塊永磁體構(gòu)成，第1塊充磁方向?yàn)檠刂鴛軸的正方向，則其它永磁體的充磁方向以磁化強(qiáng)度的x、y分量的形式表示為：

(2)

(3)

其中，內(nèi)磁場(chǎng)時(shí)為“+”，外磁場(chǎng)時(shí)為“-”。

由于復(fù)合電機(jī)自身的特點(diǎn)，該類電機(jī)具有三層氣隙，對(duì)該電機(jī)的氣隙磁密進(jìn)行分析計(jì)算，得到復(fù)合電機(jī)的三層氣隙磁密波形圖與諧波分析圖如圖3～圖5所示。

圖3電機(jī)內(nèi)層氣隙磁密

圖4電機(jī)中層氣隙磁密

圖5電機(jī)外層氣隙磁密

由圖3～圖5可知，采用Halbach充磁時(shí)，三層氣隙的磁場(chǎng)強(qiáng)度得到有效的提高，其諧波的幅值大大降低，氣隙磁密的正弦性大大加強(qiáng)，漏磁得到有效的控制。雖然氣隙磁密的基波幅值較普通的徑向充磁略有減小，但電機(jī)的綜合性能得到增加。

3鐵耗分析

一般情況下，根據(jù)國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)永磁電機(jī)鐵耗的分析理論[12-14]，電機(jī)的鐵耗分為兩部分，渦流損耗與磁滯損耗，利用有限元分析軟件，計(jì)算復(fù)合電機(jī)的磁密分布，得到鐵耗的計(jì)算公式。

(4)

(5)

式中，P代表鐵芯密度，n代表諧波次數(shù)，V為鐵芯的體積，B(Bnt，Bnr)分別代表氣隙磁密的切向分量和徑向分量。

由式(4)與式(5)可知，氣隙磁密的波形變化對(duì)電機(jī)的鐵耗產(chǎn)生一定的影響。對(duì)于磁齒輪復(fù)合電機(jī)，鐵損耗主要發(fā)生在外轉(zhuǎn)子電機(jī)的定子軛部和中間的調(diào)磁塊，調(diào)磁塊的存在使得電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的分布更加復(fù)雜，傳統(tǒng)的電機(jī)鐵耗的分析方法不適用于計(jì)算該類結(jié)構(gòu)的復(fù)合電機(jī)。利用有限元分析的方法，忽略端部磁場(chǎng)的影響，得到Halbach拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)合電機(jī)的調(diào)磁塊與永磁體損耗分布，如圖6所示。

圖6Halbach復(fù)合電機(jī)損耗分布圖

由圖6可知，由于調(diào)磁塊的主要作用是用于傳遞諧波磁場(chǎng)，其渦流損耗較大，而永磁體本身的屬性導(dǎo)致其渦流損耗也較大，復(fù)合電機(jī)的渦流損耗主要體現(xiàn)在調(diào)磁塊及內(nèi)外層永磁體上。

由氣隙磁密的波形圖以及圖6可知，采用Halbach結(jié)構(gòu)的復(fù)合電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子的軛部磁密比徑向式結(jié)構(gòu)的復(fù)合電機(jī)更低，另外，盡管普通徑向式結(jié)構(gòu)的復(fù)合電機(jī)的調(diào)磁塊磁密更大，但其氣隙磁密的諧波含量比Halbach結(jié)構(gòu)的復(fù)合電機(jī)更高，因此，采用Halbach結(jié)構(gòu)的復(fù)合電機(jī)的鐵耗更低，傳動(dòng)效率更高。兩種復(fù)合電機(jī)的永磁體渦流損耗分布如圖7所示。

圖7復(fù)合電機(jī)的渦流損耗

由圖7可知，永磁體徑向充磁時(shí)渦流損耗大約為265 W左右，當(dāng)采用Halbach充磁后，渦流損耗降低為178 W左右，渦流損耗降低了87 W左右。由于采用Halbach充磁，氣隙磁密的諧波大大降低，提高了復(fù)合電機(jī)的效率。

建立磁齒輪傳動(dòng)電機(jī)的鐵耗時(shí)步有限元分析模型，得到復(fù)合電機(jī)渦流損耗與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系(表1)。

表1轉(zhuǎn)速對(duì)復(fù)合電機(jī)的影響

由表1可知，隨著復(fù)合電機(jī)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高，電機(jī)的頻率升高，渦流損耗呈增大的趨勢(shì)，且采用Halbach充磁方式后，渦流損耗大大減小，鐵耗與轉(zhuǎn)速曲線的斜率大大減小，增大了復(fù)合電機(jī)的帶載能力。

4鐵耗的優(yōu)化分析

鐵耗的大小不僅影響磁齒輪復(fù)合電機(jī)的運(yùn)行效率，渦流損耗會(huì)使永磁體發(fā)熱，產(chǎn)生不可逆退磁的現(xiàn)象[15]，進(jìn)而影響電機(jī)的運(yùn)行性能。通過(guò)改變內(nèi)電機(jī)的定子槽口寬度，研究槽口寬度對(duì)永磁體渦流損耗的影響，其結(jié)果如圖8所示。

圖8槽口寬度對(duì)渦流損耗的影響

由圖8可知，隨著槽口寬度的減小，復(fù)合電機(jī)永磁體的渦流損耗逐漸減小，但槽口寬度的減小會(huì)影響電機(jī)的其他運(yùn)行性能，見(jiàn)表2。槽口寬度的減小使得電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩和渦流損耗均呈減小的趨勢(shì)，但同時(shí)電機(jī)的出力也隨之減小，綜合考慮電機(jī)的運(yùn)行性能，槽口寬度選取為1.5 mm左右。

表2槽口寬度對(duì)復(fù)合電機(jī)的影響

5結(jié)論

本文提出一種Halbach充磁的磁齒輪復(fù)合電機(jī)，分析電機(jī)的傳動(dòng)原理，建立電機(jī)的有限元分析模型，分析電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)，得到相關(guān)結(jié)論：

(1) Halbach充磁復(fù)合電機(jī)比徑向充磁復(fù)合電機(jī)耦合能力更強(qiáng)，傳動(dòng)效率更高。

(2) Halbach充磁復(fù)合電機(jī)的氣隙磁密正弦性更高，諧波更小，但磁密幅值相對(duì)減小；同時(shí)，Halbach復(fù)合電機(jī)的渦流損耗更小，電機(jī)的效率更高；帶載能力增強(qiáng)。

(3) 定子槽口寬度對(duì)復(fù)合電機(jī)的渦流損耗有重要影響，槽口越小，渦流損耗更小，效率更高；但槽口的大小影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小，應(yīng)選擇合適的槽口寬度。

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Analysis and Research of Halbach Magnetic-geared Permanent-magnet Motor

WANGChen

(Department of Electrical Engineering, Anhui Technological College of Machinery and Electricity, Wuhu 241000, China)

The magnetic gear is combined with the traditional permanent magnet motor to form the magnetic gear compound motor, which can improve the efficiency of the transmission system very effectively. A Halbach magnetic gear drive motor is presented and the transmission mechanism is analyzed. The finite element analysis model of the composite motor is established and compared with the traditional radial magnetizing compound motor. The harmonic analysis of the air gap magnetic flux is carried out. Considering the influence of the harmonic magnetic field and the chute, the eddy current loss and hysteresis loss of the composite motor are analyzed and optimized. The results show that the Halbach magnetic gear compound motor has the advantages of low harmonic content, small iron consumption and high efficiency; the width of the slot of the inner rotor motor has a great influence on the eddy current loss of the permanent magnet. Choosing a reasonable notch width can reduce the loss and further improve the efficiency of the motor.

Halbach; magnetic-geared permanent-magnet motor; eddy current loss; magnetic density

2017-03-10

安徽省自然科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目(KJ2017A752)

王 晨(1987-),男,安徽桐城人,講師,博士生,主要從事永磁電機(jī)方面的研究,(E-mail)wangchen1071@163.com

1673-1549(2017)03-0016-05

10.11863/j.suse.2017.03.04

TM306

A