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        改進(jìn)式Halbach磁體結(jié)構(gòu)直線電機(jī)設(shè)計(jì)與分析

        2018-04-27 05:02:09劉旭明施振川
        微特電機(jī) 2018年2期
        關(guān)鍵詞:充磁齒槽磁體

        張 靜,劉旭明,施振川

        (1.金陵科技學(xué)院,南京 211169;2.東南大學(xué),南京 210096)

        0 引 言

        隨著海洋波浪能發(fā)電技術(shù)研究的不斷深入, 近幾年出現(xiàn)了多種用于直驅(qū)式波能發(fā)電裝置的直線發(fā)電機(jī),主要為直線感應(yīng)永磁發(fā)電機(jī),磁通切換電機(jī),以及直線磁齒輪發(fā)電機(jī)等[1-3]。這些電機(jī)有效改進(jìn)了波浪能發(fā)電裝置的輸出特性,運(yùn)行穩(wěn)定性。但由于我國(guó)國(guó)內(nèi)海岸線較長(zhǎng),波浪能密度相對(duì)較小,波浪運(yùn)動(dòng)具有不規(guī)則等特點(diǎn)使得波浪發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在低速及不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)條件下,這導(dǎo)致電機(jī)電能輸出效率較低。此外由于直線電機(jī)邊端效應(yīng)和齒槽類電機(jī)的齒槽效應(yīng),使得整個(gè)發(fā)電裝置所承受的機(jī)械應(yīng)力較大,這些原因都制約著直線電機(jī)在波浪能發(fā)電領(lǐng)域中的應(yīng)用[4-5]。

        本文提出了一種采用改進(jìn)式的Halbach永磁陣列結(jié)構(gòu)(T型永磁體環(huán)結(jié)構(gòu)和爪型永磁體結(jié)構(gòu))的無(wú)齒槽直線發(fā)電機(jī),該電機(jī)可以提高電機(jī)氣隙磁通密度,且無(wú)電機(jī)齒槽力,單位體積下永磁體用料降低,故能有效地提高直線電機(jī)的電能輸出效率及運(yùn)行的穩(wěn)定性。

        1 無(wú)齒槽直線電機(jī)模型設(shè)計(jì)

        本文提出的筒型無(wú)齒槽直線電機(jī)采用初級(jí)電樞繞組結(jié)構(gòu),次級(jí)永磁體環(huán)結(jié)構(gòu)。其中初級(jí)(定子)主要包括鐵軛,無(wú)齒槽結(jié)構(gòu)和圓餅形繞組;電機(jī)次級(jí)(動(dòng)子)主要包括背鐵和永磁體環(huán)結(jié)構(gòu)。分析模型采用R-Z坐標(biāo)系,如圖1所示為電機(jī)的三維結(jié)構(gòu)模型。

        圖1 無(wú)齒槽直線發(fā)電機(jī)三維模型

        該電機(jī)的次級(jí)與波浪發(fā)電裝置的運(yùn)動(dòng)浮子相連,通過(guò)波浪的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)電機(jī)次級(jí)運(yùn)動(dòng),故交聯(lián)在電機(jī)繞組上的磁鏈也發(fā)生周期性變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),其表達(dá)式:

        (1)

        式中:ψ為磁鏈;Bz為徑向磁通密度。本電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)符號(hào)見圖1中的電機(jī)次級(jí)內(nèi)徑、初級(jí)外徑與初級(jí)長(zhǎng)度,以及圖2中永磁體陣列結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù),電機(jī)具體的參數(shù)符號(hào)與對(duì)應(yīng)的數(shù)值如表1所示。

        表1 筒型無(wú)齒槽直線電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

        2 改進(jìn)式Halbach永磁體結(jié)構(gòu)

        當(dāng)該無(wú)齒槽電機(jī)的初級(jí)部分設(shè)置相同的鐵軛和繞組參數(shù)時(shí),電機(jī)的氣隙磁通密度是小于同等情況下的帶齒槽類電機(jī)的氣隙磁通密度。為提高本文的無(wú)齒槽類直線電機(jī)的氣隙磁通密度,本文提出了在普通Halbach永磁陣列結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的兩種改進(jìn)式的永磁體結(jié)構(gòu),如圖2所示(圖2為次級(jí)軸向剖面的二分之一結(jié)構(gòu)圖)。

        (a) Halbach永磁體環(huán)陣列結(jié)構(gòu)

        (b) 爪型永磁體環(huán)陣列結(jié)構(gòu)

        (c) T型永磁體環(huán)陣列結(jié)構(gòu)

        根據(jù)普通旋轉(zhuǎn)類永磁電機(jī)中的永磁體陣列模型充磁角度的計(jì)算方法,推導(dǎo)出筒型永磁直線電機(jī)Halbach永磁陣列中永磁體環(huán)充磁角度的計(jì)算方法[6-10]。本文中永磁體環(huán)充磁角度差的計(jì)算公式:

        (2)

        由式(2)可知,當(dāng)M=1,即Halbach磁體結(jié)構(gòu)的每極的段數(shù)為1時(shí),相鄰磁體結(jié)構(gòu)的充磁方向角度差θM為180°;當(dāng)M=2,即Halbach磁體結(jié)構(gòu)的每極的段數(shù)為2時(shí),相鄰磁體結(jié)構(gòu)的充磁方向角度差θM為90°,如圖2(a)所示;當(dāng)M=3,即Halbach磁體結(jié)構(gòu)的每極的段數(shù)為3時(shí),相鄰磁體結(jié)構(gòu)的充磁方向角度差θM為60°,如圖2(b)所示;當(dāng)對(duì)M=2時(shí)的Halbach磁體結(jié)構(gòu)剖面由矩形變成T字型即為改進(jìn)的磁體Halbach結(jié)構(gòu),如圖2(c)所示。依次,可以得到不同充磁角度差的磁體結(jié)構(gòu),但對(duì)磁體的制作工藝要求將更高。

        3 電機(jī)特性分析

        根據(jù)搭建的初級(jí)采用無(wú)齒槽結(jié)構(gòu)的電機(jī)模型,首先對(duì)次級(jí)采用Halbach磁體結(jié)構(gòu)的電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)和電機(jī)磁阻力進(jìn)行分析和計(jì)算;其次當(dāng)電機(jī)初級(jí)結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下,將次級(jí)分別采用爪型永磁體環(huán)結(jié)構(gòu)和T型永磁體環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)電機(jī)的性能進(jìn)行對(duì)比分析。

        3.1 電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)與諧波含量分析

        當(dāng)電機(jī)初級(jí)采用無(wú)齒槽結(jié)構(gòu),次級(jí)采用Halbach磁體結(jié)構(gòu),計(jì)算當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在空載情況下,電機(jī)次級(jí)運(yùn)動(dòng)速度為恒速0.4m/s時(shí),圖3給出通過(guò)有限元分析法計(jì)算出該電機(jī)一個(gè)周期內(nèi)的單相電動(dòng)勢(shì)波形曲線。由圖3可以看出,電機(jī)在運(yùn)行速度恒為0.4m/s時(shí),電動(dòng)勢(shì)波形峰值可達(dá)到30V。

        圖3 電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)曲線

        本文采用遺傳算法結(jié)合有限元分析法對(duì)該電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。令K為永磁體厚度和徑向充磁永磁塊長(zhǎng)度的比值,通過(guò)優(yōu)化分析得出隨著K的變化,電動(dòng)勢(shì)幅值和電動(dòng)勢(shì)波形諧波含量的變化曲線,如圖4所示。

        圖4 電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)曲線

        其中諧波含量為計(jì)算公式:

        (3)

        式中:Un和U1分別為電動(dòng)勢(shì)波形中的諧波含量和基波含量。

        由圖4可以看出,隨著比率K的不斷增大,電動(dòng)勢(shì)波形諧波含量不斷減小,當(dāng)K=0.75時(shí)電動(dòng)勢(shì)波形諧波含量達(dá)到最小值,約為2.6%,之后曲線趨于平穩(wěn)。

        由圖4還可以看出,隨著比率K的不斷增大,電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值不斷增大,當(dāng)K=0.6時(shí)電動(dòng)勢(shì)幅值可以達(dá)到最大值,約32V,之后曲線有所回落。

        3.2 磁阻力分析

        永磁直線電機(jī)內(nèi)部的磁阻力主要由電機(jī)的邊端效應(yīng)力和齒槽力構(gòu)成。其中邊端效應(yīng)力僅存在于短初級(jí)型永磁直線電機(jī)中,是由電機(jī)初級(jí)鐵心的邊端齒結(jié)構(gòu)與次級(jí)永磁體結(jié)構(gòu)之間反應(yīng)產(chǎn)生;而電機(jī)齒槽力在短初級(jí)型電機(jī)或長(zhǎng)初級(jí)型電機(jī)內(nèi)都存在,是由初級(jí)鐵心內(nèi)部齒槽結(jié)構(gòu)與次級(jí)永磁體結(jié)構(gòu)之間反應(yīng)產(chǎn)生[11-17]。在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí),電機(jī)磁阻力波動(dòng)將影響電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。由于本電機(jī)屬于短初級(jí)型直線電機(jī),故存在邊端效應(yīng)力,但本電機(jī)初級(jí)采用無(wú)齒槽結(jié)構(gòu),可以避免產(chǎn)生齒槽力。

        根據(jù)分析得出電機(jī)磁阻力波動(dòng)與永磁體徑向充磁永磁體塊寬度WP1及永磁體軸向充磁永磁體塊寬度WP2之間的變化曲線關(guān)系,如圖5所示。由于徑向充磁永磁體環(huán)的體積為有效的充磁體積,可以看出,當(dāng)WP1

        圖5 電機(jī)磁阻力波動(dòng)曲線

        3.3 電機(jī)性能對(duì)比分析

        電機(jī)初級(jí)結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,將次級(jí)分別采用Halbach磁體環(huán)結(jié)構(gòu)、爪型永磁體環(huán)結(jié)構(gòu)和T型永磁體環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行對(duì)比分析。此時(shí)保證電機(jī)的初級(jí)結(jié)構(gòu)與電機(jī)參數(shù)一定的前提下進(jìn)行分析,結(jié)構(gòu)與參數(shù)見圖1、圖2和表1。

        電機(jī)輸出電壓波形諧波含量是表征電機(jī)性能的較為重要的參數(shù)之一。圖6給出了電機(jī)次級(jí)分別為3種不同永磁體結(jié)構(gòu)下的電動(dòng)勢(shì)波形諧波含量對(duì)比情況??梢钥闯觯?dāng)圖2中永磁體極距τp為20mm時(shí),3種不同永磁體結(jié)構(gòu)的輸出電動(dòng)勢(shì)波形諧波含量達(dá)到最小,其中次級(jí)為Halbach永磁體結(jié)構(gòu)時(shí)諧波含量為4.9%,次級(jí)為T型永磁體結(jié)構(gòu)時(shí)諧波含量為3.8%,次級(jí)為爪型永磁體結(jié)構(gòu)時(shí)諧波含量為3.65%。

        圖6 電機(jī)電動(dòng)勢(shì)諧波含量對(duì)比

        3.4 電機(jī)效率計(jì)算與分析

        波浪發(fā)電用直線發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率是電機(jī)運(yùn)行的重要性能指標(biāo)之一,根據(jù)計(jì)算分析得出當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載為10Ω時(shí)輸出功率可以達(dá)到108W,然后效率隨著外接負(fù)載的增加而不斷減小[13]。

        直線電機(jī)效率的計(jì)算公式如下:

        (4)

        式中:PE為電機(jī)輸出功率;PM為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)械功率。

        由上述的仿真計(jì)算得出該電機(jī)的平均電磁力為317N,且電機(jī)的直線運(yùn)行速度為0.4m/s,故驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的機(jī)械功率為126.8W,由式(4)可計(jì)算出該電機(jī)的最大發(fā)電效率約為85.1%。

        4 實(shí)驗(yàn)分析

        本文根據(jù)一臺(tái)筒型具有M=2的Halbach磁體結(jié)構(gòu)齒槽型直線發(fā)電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析和驗(yàn)證,電機(jī)如圖7所示。當(dāng)該電機(jī)在勻速直線運(yùn)動(dòng)下(直線速度為0.4m/s)測(cè)得電機(jī)在空載運(yùn)行情況下單相電壓輸出波形如圖8所示。由圖8可以看出,該電機(jī)的輸出電壓峰值可以達(dá)到30V,從而驗(yàn)證了本文電機(jī)模型和分析方法的正確性。由于電機(jī)對(duì)Halbach磁體結(jié)構(gòu)的充磁及貼制工藝存在一定局限,以及電機(jī)在勻速直線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)平臺(tái)存在一定誤差使得實(shí)驗(yàn)波形存在一定諧波含量,這也更說(shuō)明采用改進(jìn)的Halbach磁體結(jié)構(gòu)將會(huì)有效減少普通永磁直線電機(jī)輸出電壓的諧波含量,提高輸出波形正弦性。

        圖7 Halbach磁體結(jié)構(gòu)直線電機(jī)

        圖8 實(shí)驗(yàn)電機(jī)輸出電壓波形

        5 結(jié) 語(yǔ)

        本文介紹一種應(yīng)用于直驅(qū)式低速波浪能轉(zhuǎn)換裝置的無(wú)齒槽永磁直線型發(fā)電機(jī),并根據(jù)該電機(jī)的結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)式的Halbach永磁陣列結(jié)構(gòu)。根據(jù)有限元分析方法對(duì)該種電機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和性能對(duì)比,分析結(jié)果表明該電機(jī)可以提高電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)峰值,提高電機(jī)氣隙磁密,減少電機(jī)的磁阻力波動(dòng)值。且采用改進(jìn)式Halbach永磁體結(jié)構(gòu)的筒型無(wú)齒槽直線電機(jī)具有更好運(yùn)行特性,適合小波浪低速下的直驅(qū)波浪發(fā)電裝置。

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