基于充磁方向相反的雙轉子電機磁場問題研究

陳 純，張 帆

（1.長春理工大學機電工程學院，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子電機磁場問題研究

陳 純1，張 帆2

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

雙轉子永磁電機由內外兩個電機構成，其內外電機磁場之間會互相干擾。通過改變定子軛部厚度，可以改變內外電機磁場之間的耦合情況。分析了電機內部磁路結構，通過有限元軟件，研究了在內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)化了電機結構。

雙轉子電機；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構電機——雙轉子永磁結構電機。通過一系列的研究表明，雙轉子電機的輸出轉矩密度明顯高于傳統單轉子電機。徑向磁場雙轉子永磁電機因其獨特的機械結構而具有諸多優(yōu)點，可以運用在水下航行器螺旋槳推進系統和風力發(fā)電系統等特殊場合中[1-3]。

1 磁場耦合分析

雙轉子電機可以看作是由兩臺永磁電機結合在一起，其內部結構中內外轉子共用一個定子，內外兩臺電機之間必然存在著磁場的耦合。其內部結構圖如圖1所示。

圖1 電機內部結構示意圖

雙轉子電機中存在著內外兩層氣隙，如果內電機的磁場進入外氣隙中，或者外電機的磁場進入到內氣隙中，就會互相干擾從而影響電機性能。在所研究的雙轉子電機結構中，理論上只要定子厚度一定，內外永磁體產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計的很大，電機內外永磁體產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，甚至會失去雙轉子電機的兩臺電機合二為一的結構緊湊的特性。

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部內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]，內轉子永磁體外徑29.6 mm，內外氣隙均為0.7 mm。保持內轉子鐵心尺寸和內電機永磁體尺寸不變，改變定子和外轉子尺寸結構。內外永磁體均采用稀土永磁材料NdFe35，定子鐵芯和轉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，電機內部磁場全部由永磁體產生。初始值定子軛部厚度為7.4 mm條件下內外電機氣隙磁密值如圖2所示。

圖2 電機內外氣隙磁密曲線

為了減小內外電機磁場之間的耦合，進一步研究定子軛部厚度與內外磁場之間的關系，在保持內轉子鐵芯尺寸和內電機永磁體尺寸以及內外電機氣隙長度不變的前提下，相應改變定子軛部厚度和外轉子尺寸對電機進行分析。數據分析結果如圖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，內電機氣隙磁密值逐漸增大，當達到一定值時，內轉子氣隙磁密幅值不再變化；而外電機氣隙磁密值逐漸減小，當達到一定值時，外氣隙磁密幅值也不再變化。這是因為當定子厚度較小時，內電機永磁體所產生的磁場與外電機永磁體產生的磁場發(fā)生了耦合，在外氣隙中互相疊加，使外電機磁場增大；當定子厚度增加時，內電機磁場與外電機磁場耦合較少，通過定子與內電機永磁體的磁通回路數增多，因而內氣隙的磁密增加，外氣隙的磁密減小；繼續(xù)增加定子厚度，內外電機產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外電機氣隙磁密的增加沒有明顯作用。此時，內外磁場不再互相干涉。內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 結論

本文對相反充磁方向的徑向磁場雙轉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部磁場耦合的影響。結果表明，當定子軛部厚度增加時，可以實現內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.雙轉子永磁同步風力發(fā)電機設計與應用［J］.微電機，2008，41（2）：65-66.

［4］徐衍亮，王法慶，馮開杰，等.雙轉子永磁電機電感參數，永磁電勢及齒槽轉矩［J］.電工技術學報，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。研究領域：機電系統控制與技術。

(編輯：阮 毅)

2014－05－16