Halbach陣列共軸磁齒輪電機(jī)的有限元分析

黃松柏

(湖北理工學(xué)院，黃石 435003)

?

Halbach陣列共軸磁齒輪電機(jī)的有限元分析

黃松柏

(湖北理工學(xué)院，黃石 435003)

針對(duì)氣隙磁密對(duì)于共軸磁齒輪電機(jī)功率密度、電機(jī)效率的影響，提出了Halbach陣列轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，從共軸磁齒輪電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)常規(guī)表貼式結(jié)構(gòu)和Halbach結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。并對(duì)其進(jìn)行有限元分析和對(duì)比，得出了兩種不同的氣隙磁密的波形和磁場(chǎng)云圖，以及不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)的反電勢(shì)、出力和空載鐵耗的對(duì)比。分析結(jié)果表明：運(yùn)用Halbach陣列轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的共軸磁齒輪電機(jī)，其氣隙磁場(chǎng)中用于傳遞轉(zhuǎn)矩的諧波含量明顯增加，同時(shí)非有利次諧波含量降低，減小反電勢(shì)THD值，增大電機(jī)出力、減小空載鐵耗。Halbach陣列應(yīng)用與于共軸磁齒輪電機(jī)具有廣闊的前景。

共軸磁齒輪；輪轂電機(jī)；Halbach陣列；氣隙磁密；有限元分析

0 引 言

直接驅(qū)動(dòng)由于具有低噪聲、低損耗、高可靠性的特點(diǎn)，可以提高傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，一直是現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。文獻(xiàn)[1-4]結(jié)合磁齒輪具有低噪聲、高效率、便于維護(hù)、高可靠性及過(guò)載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[5]，提出了一種共軸磁齒輪電機(jī)。但是隨著永磁材料價(jià)格的上漲，永磁體的成本上升，對(duì)永磁體的利用率有了更高的要求。常規(guī)表貼式電機(jī)在氣隙中的磁密波形為方波，而為了得到良好的控制性能和低的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，電機(jī)的磁路多按照正弦波磁路設(shè)計(jì)，這使得正弦波驅(qū)動(dòng)的表貼式永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大和鐵損較高。而且對(duì)于共軸磁齒輪電機(jī)而言，共軸磁齒輪電機(jī)是通過(guò)氣隙磁場(chǎng)中的有利次諧波來(lái)傳遞功率的，因此氣隙磁密的優(yōu)劣直接影響到了共軸磁齒輪電機(jī)的性能。

將充磁方向不同的永磁體，按照一定規(guī)律排列，這種陣列永磁體的方法稱為Halbach陣列。這種陣列方法可以增強(qiáng)永磁體一側(cè)的磁場(chǎng)，在得到相同磁場(chǎng)強(qiáng)度的情況下，提高永磁體的利用率。與傳統(tǒng)的表貼式永磁電機(jī)相比較，采用Halbach陣列的永磁電機(jī)的氣隙磁密更大且具有良好的正弦性和自屏蔽作用[6]。隨著永磁電機(jī)向小型化的發(fā)展，Halbach陣列可以提供更大的永磁磁場(chǎng)，因此被廣泛應(yīng)用于永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中。

將Halbach陣列的特點(diǎn)運(yùn)用到正弦波驅(qū)動(dòng)的共軸磁齒輪電機(jī)上，本文提出了一種基于Halbach陣列轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的正弦波驅(qū)動(dòng)的共軸磁齒輪電機(jī)，并對(duì)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析[7]。在永磁體用量不變的基礎(chǔ)上，對(duì)比常規(guī)表貼式共軸磁齒輪電機(jī)和采用Halbach陣列轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的共軸磁齒輪電機(jī)的氣隙磁密、反電勢(shì)、出力和損耗，驗(yàn)證了Halbach陣列的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)于永磁體的利用率更高，能提供更大的轉(zhuǎn)矩，反電勢(shì)諧波更少和更低的鐵耗。

1 共軸磁齒輪電機(jī)工作原理

以圖1所示的共軸磁齒輪電機(jī)來(lái)說(shuō)明共軸磁齒輪電機(jī)的工作原理。外轉(zhuǎn)子型共軸磁齒輪電機(jī)由內(nèi)而外由定子、調(diào)磁環(huán)和轉(zhuǎn)子三部分構(gòu)成。

圖1 共軸磁齒輪電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于共軸磁齒輪電機(jī)定子繞組中電流的電周期t與轉(zhuǎn)子的機(jī)械周期T滿足如下關(guān)系：

(1)

式中：pS,pr分別為定子繞組和外轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)。

pS,pr和磁環(huán)的極對(duì)Ns數(shù)滿足下式：

(2)

與共軸磁齒輪相類(lèi)似，共軸磁齒輪電機(jī)是通過(guò)氣隙內(nèi)與轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)數(shù)值相同次數(shù)的諧波來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩和能量的，增大氣隙內(nèi)與轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)相同次數(shù)的諧波分量可以增強(qiáng)共軸磁齒輪電機(jī)功率的傳遞，同時(shí)減小其余次諧波的影響，減小鐵心和磁環(huán)的損耗，提高電機(jī)的效率。因此，氣隙內(nèi)有利次諧波分量對(duì)于共軸磁齒輪電機(jī)的性能起著重要的作用。

2 Halbach陣列轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的永磁體裝置多采用徑向和切向的陣列結(jié)構(gòu)，而共軸磁齒輪電機(jī)作為一種直驅(qū)型電機(jī)要求具有高效率、高轉(zhuǎn)矩密度。永磁體材料的性能對(duì)電機(jī)起著重要的作用，通過(guò)將不同充磁方向的永磁體的排列進(jìn)行優(yōu)化組合，永磁體的利用率得到提高，在永磁體用量不變的情況下，電機(jī)性能增強(qiáng)。如圖2所示，將徑向充磁的永磁體和切向充磁的永磁體整列結(jié)合在一起的一種新型排列結(jié)構(gòu)稱為Halbach陣列[8]。

(a) 每極2個(gè)永磁體

(b)每極3個(gè)永磁體

永磁電機(jī)希望增加近氣隙一側(cè)的磁密。改變永磁體的充磁方向和排列方式，得到外轉(zhuǎn)子的Halbach陣列結(jié)構(gòu)如圖3所示。Halbach陣列能在永磁體材料體積不變的情況下增大氣隙磁密。在相同電樞繞組電流的情況下，可以提供更大的轉(zhuǎn)矩，從而可以增加永磁體的利用率，達(dá)到降低能耗和節(jié)省永磁材料的目的。同時(shí)對(duì)于輪轂電機(jī)而言，減弱氣隙背側(cè)的磁場(chǎng)還可以減小電磁輻射。

(a) 每極2個(gè)永磁體

(b)每極3個(gè)永磁體

3 常規(guī)表貼式和Halbach陣列的共軸磁齒輪電機(jī)的有限元分析

對(duì)常規(guī)表貼式、每極2塊永磁體和每極3塊永磁體的共軸磁齒輪電機(jī)進(jìn)行有限元分析。為了減小比較誤差，采用相同的仿真參數(shù)如表所示。

表1 電機(jī)仿真參數(shù)

3.1 氣隙磁場(chǎng)分析

圖4分別為為常規(guī)表貼式永磁體、每極2個(gè)永磁體構(gòu)成的Halbach結(jié)構(gòu)、每極3個(gè)永磁體構(gòu)成的Halbach結(jié)構(gòu)的電機(jī)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖。從圖4中可以看出，Halbach結(jié)構(gòu)可以更好地將磁場(chǎng)集中在氣隙側(cè)而減少另一側(cè)的磁場(chǎng)。

(a) 常規(guī)表貼式

(b)每極2個(gè)永磁體

(c) 每極3個(gè)永磁體

圖5～圖8為三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的內(nèi)/外氣隙磁密分布及其諧波分析。從其中可以看出，Halbach結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子的內(nèi)外氣隙磁密幅值和有此次諧波分量高于傳統(tǒng)的表貼式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，而且隨著每極所包含的永磁體的數(shù)量的增多，氣隙磁場(chǎng)的強(qiáng)度越強(qiáng)，且所包含的用于傳遞轉(zhuǎn)矩的諧波的含量越高。

(a) 常規(guī)表貼式

(b) 每極2個(gè)永磁體

(c) 每極3個(gè)永磁體

圖6 內(nèi)氣隙磁密諧波分析

(a) 常規(guī)表貼式

(b) 每極2個(gè)永磁體

(c) 每極3個(gè)永磁體

圖8 外氣隙磁密諧波分析

3.2 電機(jī)性能分析

圖9為三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在1 000 r/min下的空載反電勢(shì)曲線。從圖9中可以看出，Halbach結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子反電勢(shì)大于傳統(tǒng)的表貼式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，且每極包含3塊永磁體大于每極包含2塊永磁體。同時(shí)對(duì)三種結(jié)構(gòu)的反電勢(shì)進(jìn)行諧波分析，其THD按常規(guī)表貼式、每極包含2個(gè)永磁體和每極包含3個(gè)永磁體依次為3.2%，2.76%，2.03%?？梢?jiàn)Halbach結(jié)構(gòu)可以降低反電勢(shì)的THD。

圖9 三種結(jié)構(gòu)的反電勢(shì)曲線

圖10為電樞電流為10 A時(shí)外轉(zhuǎn)子出力曲線。從圖10中可以看出，在電樞繞組中電流相同的情況下Halbach結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的共軸磁齒輪電機(jī)相比于傳統(tǒng)的表貼式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子能夠提供更大的轉(zhuǎn)矩，而且每極包含3個(gè)永磁體的Halbach結(jié)構(gòu)所能提供的轉(zhuǎn)矩高于每極包含2個(gè)永磁體的Halbach結(jié)構(gòu)。

圖10 在電樞電流為10 A時(shí)三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的出力曲線

從圖11可以看出，Halbach結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的共軸磁齒輪電機(jī)的定子、磁環(huán)、轉(zhuǎn)子的空載鐵耗小于傳統(tǒng)的表貼式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，且由每極含有3塊永磁體的Halbach陣列的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的共軸磁齒輪電機(jī)的空載鐵耗小于每極含有2塊永磁體的。

圖11 三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)鐵耗曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述了共軸磁齒輪電機(jī)的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)矩傳遞特性和功率傳遞原理，給出了兩種基于Halbach陣列的永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并對(duì)傳統(tǒng)永磁陣列的轉(zhuǎn)子和Halbach陣列的轉(zhuǎn)子進(jìn)行了有限元分析，通過(guò)分析內(nèi)外氣隙的磁密及其諧波含量，證明了Halbach陣列用于共軸磁齒輪電機(jī)的可行性。經(jīng)分析，Halbach陣列還可以增大共軸磁齒輪氣息中用于傳遞功率次諧波分量，提高共軸磁齒輪的功率傳遞效率，增大電機(jī)出力，同時(shí)減小轉(zhuǎn)子、磁環(huán)、定子的鐵耗。這可以在減小永磁體的用量同時(shí)提高電機(jī)的效率。因此Halbach陣列對(duì)于共軸磁齒輪電機(jī)有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1] WANG L L,SHEN J X,LUK P C K,et al.Development of a magnetic-geared permanent-magnet brushless motor[J].IEEE Transactions on Magnetics,2009,45(10):4578-4581.

[2] JIAN Linni,CHAU K T.A coaxial magnetic ggear with Halbach permanent-magnet arrays[J].IEEE Transactions on Magnetics,2010,25(2):319-328.

[3] 張東， 鄒國(guó)棠， 江建中， 等.新型外轉(zhuǎn)子磁齒輪復(fù)合電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(30):67-72.

[4] FAN Ying,JIANG Hehe,CHENG Ming,et al.An improved magnetic-geared permanent magnet in-wheel motor for electric vehicles[C]//Vehicle Power and Propulsion Conference,Lille,France，2010:1-5.

[5] ZHU Xiaoyong,CHEN Long,QUAN Li,,et al.A new magnetic planetary-geared permanent magnet brushless machinefor hybrid electric vehicle[J].IEEE Transactions on Magnetics,2012,48(11):4642-4645.

[6] 朱煌秋，陳雷剛，李亞偉，等.Halbach 陣列無(wú)軸承永磁電機(jī)有限元分析[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2013,17(4):45-49.

[7] ZHU Xiaoyong,QUAN Li,CHEN Dajian,et al.Electromagnetic performance analysis of a new stator-permanent-magnet doubly salient flux memory motor using a piecewise-linear hysteresis model[J].IEEE Transactions on Magnetics,2011,47(5):1106-1112.

[8] 李延升，竇滿峰，趙冬冬.磁鋼充磁方式對(duì)表貼式永磁電機(jī)磁場(chǎng)影響分析[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2011,15(12):26-31.

Finite Element Analysis of Magnetic-Geared Permanent Magnet In-Wheel Motor with Halbach Permanent-Magnet Arrays

HUANG Song-bai

(Hubei Institute of Technology,Huangshi 435003,China)

Aiming at the influence of air gap magnetic density on power density and the efficiency of magnetic-geared permanent magnet in-wheel motors, the structure of Halbach array permanent rotor was proposed. From the structure of permanent magnet rotors in magnetic-geared permanent magnet in-wheel motors, the conventional surface mounted and Halbach array permanent magnet rotors were compared and analyzed. In addition, the finite element analysis was used to analyze and compare them, and the magnetic cloud and the air gap magnetic density of two different rotor structures were calculated. The back EMF, the torque and the iron losses with no load of two different rotor structures were compared. The result shows that the amplitude and the component of air gap magnetic density is enhanced, the THD of back EMF and the iron losses with on load is reduced and the torque of the motor is increased by using Halbach array in magnetic-geared permanent magnet in-wheel motors. Halbach array has the bright future when used in magnetic-geared permanent magnet in-wheel motors.

magnetic-geared motor; in-wheel motor; halbach array; air gap magnetic density; finite element analysis

唐美玲(1975-)，女，博士研究生，講師。

2015-04-20

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(B2013071);湖北理工學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(12xjz32Q)

TM351

A

1004-7018(2016)03-0032-03