Halbach磁齒輪復合電機的分析與研究

王晨

(安徽機電職業(yè)技術(shù)學院電氣工程系, 安徽蕪湖241000)

Halbach磁齒輪復合電機的分析與研究

王晨

(安徽機電職業(yè)技術(shù)學院電氣工程系, 安徽蕪湖241000)

將磁齒輪與傳統(tǒng)永磁電機相結(jié)合，構(gòu)成磁齒輪復合電機，可減小摩擦損耗、提高傳動效率。研究復合電機的傳動機理，分析比較徑向充磁與Halbach充磁復合電機的磁場分布規(guī)律，建立電機的時步有限元分析模型，綜合考慮諧波磁場和斜槽的影響，對兩種電機的氣隙磁密及損耗分布進行對比分析，分析不同轉(zhuǎn)速下兩種電機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磁齒輪傳動復合電機具有諧波含量小、鐵耗小、效率高等優(yōu)點，內(nèi)轉(zhuǎn)子電機的槽口寬度對永磁體渦流損耗產(chǎn)生較大的影響，選擇合理的槽口寬度可減小損耗，進一步提高電機的效率。

Halbach；復合電機；渦流損耗；磁密

引言

相較傳統(tǒng)的機械齒輪，磁場調(diào)制型磁齒輪利用調(diào)磁塊改變氣隙磁導，使得內(nèi)外永磁體均參與了轉(zhuǎn)矩的傳遞，由于傳遞過程中不存在機械摩擦，使得該傳動裝置具有輸出轉(zhuǎn)矩密度大、噪聲低、不存在機械損耗、傳動效率高等諸多優(yōu)點。鑒于磁齒輪的諸多優(yōu)點，國內(nèi)外許多專家學者將磁場調(diào)制型磁齒輪和永磁電機相結(jié)合，構(gòu)成磁齒輪復合電機，實現(xiàn)了低速大轉(zhuǎn)矩的直接驅(qū)動方式，同時利用了磁齒輪的內(nèi)部空間，提高了整個傳動系統(tǒng)的效率[1-2]。此外，此類電機具有功率密度大、功率因數(shù)高等優(yōu)點，將其應用于電動汽車，可省去機械齒輪箱，減小了體積，提高了傳動的效率，增加了燃料的利用率；將其應用于風力發(fā)電機，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械齒輪，解決了風力機與發(fā)電機之間的轉(zhuǎn)速匹配問題，提高了整個風電系統(tǒng)的效率[3-4]。

與普通的永磁電機相比較，此類電機存在內(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，鐵耗的準確計算及分析對此類電機的應用具有較大意義。文獻[5]是國內(nèi)關(guān)于磁齒輪復合電機的第一篇博士論文，提出一種新型磁齒輪復合電機，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[6]在分析磁密分布的基礎(chǔ)上，采用全局解析法計算Halbach磁齒輪的氣隙磁場與電磁轉(zhuǎn)矩，得出Halbach磁齒輪所得轉(zhuǎn)矩更大，更接近正弦。文獻[7]將調(diào)制型磁齒輪與永磁無刷電機在機械和磁場上同時耦合，采用有限元方法分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機性能的影響，通過樣機驗證其設計的有效性。上述文獻僅僅是對磁齒輪復合電機的靜態(tài)特性和理論進行分析研究，對復合電機的鐵損耗分析研究的尚不多見。

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

1磁齒輪傳動機理

磁齒輪復合電機的模型如圖1所示。電機由內(nèi)至外分別由外轉(zhuǎn)子永磁同步電機的定子、定子繞組，電機永磁體，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。復合電機為雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，最內(nèi)層為磁極對數(shù)為3的外轉(zhuǎn)子永磁同步電機，磁齒輪的內(nèi)轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)pin=4，外轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)pout=17，調(diào)磁塊位于內(nèi)外磁極之間，根據(jù)磁齒輪傳動的機理，中間調(diào)磁塊的個數(shù)為內(nèi)轉(zhuǎn)磁極對數(shù)之和。內(nèi)外轉(zhuǎn)子的角速度關(guān)系為[8-10]：

(1)

圖1磁齒輪復合電機示意圖

2氣隙磁密計算

2.1有限元模型建立

當復合電機工作時，永磁同步電機帶動磁齒輪高速轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，根據(jù)磁齒輪傳動的原理，高速轉(zhuǎn)子帶動低速外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩的要求。兩者之間的轉(zhuǎn)速比為內(nèi)外層磁極對數(shù)之比。

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

圖2磁齒輪復合電機磁力線分布圖

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，復合電機的軛部磁密明顯減少，氣隙磁通明顯增強。永磁同步電機與磁齒輪的耦合能力更強，提高了電機的動態(tài)性能和齒輪的傳動效率。

2.2氣隙磁密分析

Halbach磁齒輪復合電機內(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]。假設該復合電機每極都由n塊永磁體構(gòu)成，第1塊充磁方向為沿著x軸的正方向，則其它永磁體的充磁方向以磁化強度的x、y分量的形式表示為：

(2)

(3)

其中，內(nèi)磁場時為“+”，外磁場時為“-”。

由于復合電機自身的特點，該類電機具有三層氣隙，對該電機的氣隙磁密進行分析計算，得到復合電機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電機內(nèi)層氣隙磁密

圖4電機中層氣隙磁密

圖5電機外層氣隙磁密

由圖3～圖5可知，采用Halbach充磁時，三層氣隙的磁場強度得到有效的提高，其諧波的幅值大大降低，氣隙磁密的正弦性大大加強，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，但電機的綜合性能得到增加。

3鐵耗分析

一般情況下，根據(jù)國內(nèi)外專家學者對永磁電機鐵耗的分析理論[12-14]，電機的鐵耗分為兩部分，渦流損耗與磁滯損耗，利用有限元分析軟件，計算復合電機的磁密分布，得到鐵耗的計算公式。

(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電機的鐵耗產(chǎn)生一定的影響。對于磁齒輪復合電機，鐵損耗主要發(fā)生在外轉(zhuǎn)子電機的定子軛部和中間的調(diào)磁塊，調(diào)磁塊的存在使得電機內(nèi)部磁場的分布更加復雜，傳統(tǒng)的電機鐵耗的分析方法不適用于計算該類結(jié)構(gòu)的復合電機。利用有限元分析的方法，忽略端部磁場的影響，得到Halbach拓撲結(jié)構(gòu)的復合電機的調(diào)磁塊與永磁體損耗分布，如圖6所示。

圖6Halbach復合電機損耗分布圖

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，其渦流損耗較大，而永磁體本身的屬性導致其渦流損耗也較大，復合電機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)的復合電機內(nèi)外轉(zhuǎn)子的軛部磁密比徑向式結(jié)構(gòu)的復合電機更低，另外，盡管普通徑向式結(jié)構(gòu)的復合電機的調(diào)磁塊磁密更大，但其氣隙磁密的諧波含量比Halbach結(jié)構(gòu)的復合電機更高，因此，采用Halbach結(jié)構(gòu)的復合電機的鐵耗更低，傳動效率更高。兩種復合電機的永磁體渦流損耗分布如圖7所示。

圖7復合電機的渦流損耗

由圖7可知，永磁體徑向充磁時渦流損耗大約為265 W左右，當采用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，提高了復合電機的效率。

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

表1轉(zhuǎn)速對復合電機的影響

由表1可知，隨著復合電機外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高，電機的頻率升高，渦流損耗呈增大的趨勢，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，增大了復合電機的帶載能力。

4鐵耗的優(yōu)化分析

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

圖8槽口寬度對渦流損耗的影響

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

表2槽口寬度對復合電機的影響

5結(jié)論

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

(1) Halbach充磁復合電機比徑向充磁復合電機耦合能力更強，傳動效率更高。

(2) Halbach充磁復合電機的氣隙磁密正弦性更高，諧波更小，但磁密幅值相對減??；同時，Halbach復合電機的渦流損耗更小，電機的效率更高；帶載能力增強。

(3) 定子槽口寬度對復合電機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轉(zhuǎn)矩的大小，應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

安徽省自然科學重點研究項目(KJ2017A752)

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

1673-1549(2017)03-0016-05

10.11863/j.suse.2017.03.04

TM306

A