Halbach圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)的性能分析

劉春元

(嘉興學(xué)院，嘉興 314000)

0 引 言

直線電動(dòng)機(jī)將電能直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能(動(dòng)能)，不需要任何中間傳動(dòng)裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高的優(yōu)點(diǎn)。Halbach充磁方式的圓筒型永磁直線電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱TPMLM)由于其自身的屏蔽效應(yīng)， 使得一側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大幅度提高，可以有效地減小電機(jī)的質(zhì)量和體積。此種磁體結(jié)構(gòu)的電機(jī)具有較薄的次級(jí)鐵心(或無(wú)次級(jí)鐵心)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、功率密度高、磁場(chǎng)強(qiáng)度較大且分布正弦性能好等優(yōu)點(diǎn)，在磁齒輪[1-3]、盤(pán)式電機(jī)[4]、人工心臟系統(tǒng)[5,6]廣泛應(yīng)用。很多學(xué)者對(duì)Halbach磁體結(jié)構(gòu)電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、電機(jī)磁場(chǎng)分布等方面進(jìn)行了大量的研究[7-9]。TPMLM的無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)既可以是次級(jí)無(wú)導(dǎo)磁鐵心，也可以是初級(jí)無(wú)鐵心結(jié)構(gòu)，其用途不一，初級(jí)無(wú)鐵心適合應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，次級(jí)無(wú)鐵心適合應(yīng)用于發(fā)電系統(tǒng)和直線數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域。

本文以Halbach磁體結(jié)構(gòu)的TPMLM為研究對(duì)象，建立電機(jī)的二維有限元分析模型，分別分析有次級(jí)鐵心和無(wú)次級(jí)鐵心的磁力線和磁感應(yīng)強(qiáng)度分布、空、負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等參數(shù)，利用傅里葉分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)電機(jī)結(jié)構(gòu)；最后，根據(jù)優(yōu)化的參數(shù)，制造了一臺(tái)用于波浪發(fā)電系統(tǒng)的電機(jī)，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，取得了較好的應(yīng)用效果，為大規(guī)模利用Halbach磁體結(jié)構(gòu)的電機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

1 TPMLM的結(jié)構(gòu)

本文研究的Halbach充磁結(jié)構(gòu)的TPMLM的三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由初級(jí)和次級(jí)組成。其中初級(jí)部分由繞組和初級(jí)鐵心組成，繞組采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于電機(jī)的擴(kuò)展和安裝；初級(jí)鐵心和背鐵的材料都選用D23，它是一種常用的導(dǎo)磁材料，具有造價(jià)低，飽和點(diǎn)相對(duì)較高等優(yōu)點(diǎn)。次級(jí)部分包括永磁體以及背鐵，永磁體選用剩磁Brem=1.15 T，相對(duì)磁導(dǎo)率μr=1.05，矯頑力hc=860 kA/m的NdFeB35。為了減小摩擦力和固定氣隙的寬度，次級(jí)和初級(jí)之間用不銹鋼軸承連接。為了繞線方便，初級(jí)槽選用開(kāi)口槽。電機(jī)基本尺寸如表1所示。

圖1 三維結(jié)構(gòu)圖表1 永磁直線電動(dòng)機(jī)基本尺寸

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值極距τp/mm21.5徑向永磁體長(zhǎng)度τmr/mm14.5軸向永磁體長(zhǎng)度τmz/mm7槽距τc/mm19.5槽寬bs/mm10.5外徑Ro/mm54.5內(nèi)徑Ri/mm48.5背鐵厚度Hb/mm3永磁體厚度HPM/mm3氣隙g/mm3匝數(shù)N60

2 TPMLM有限元分析

由于TPMLM是軸對(duì)稱模型，根據(jù)表1的電機(jī)參數(shù)，建立了TPMLM的二維有限元分析模型。為了分析方便，做以下假設(shè)：

1)TPMLM的磁場(chǎng)是沿軸向均勻分布，即，磁場(chǎng)在z的方向上無(wú)變化；

2) 忽略TPMLM的端部效應(yīng)；

3) 忽略TPMLM的外部磁場(chǎng)，即認(rèn)為其次級(jí)外圓周為零矢量位。

2.1 空載磁場(chǎng)

本文分別建立TPMLM有次級(jí)鐵心和無(wú)次級(jí)鐵心2種有限元仿真模型，其他參數(shù)均相同。圖2為空載磁場(chǎng)分布圖。圖3為磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖。從圖3中可以看出，無(wú)論是有無(wú)背鐵，其磁力線主要經(jīng)磁體內(nèi)部閉合，形成次級(jí)鐵心(或無(wú)鐵心)的磁力線較弱，對(duì)次級(jí)鐵心有屏蔽作用。因此，其次級(jí)鐵心可以設(shè)計(jì)得很薄，甚至可以省去鐵心，這對(duì)降低電機(jī)的體積和質(zhì)量、提高電機(jī)的功率密度和電磁推力極為有利，特別適合用于高精度的伺服系統(tǒng)。

(a) 無(wú)鐵心

(b) 有鐵心圖2 空載磁場(chǎng)分布

(a) 無(wú)背鐵

(b) 有背鐵圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

圖4為有次級(jí)鐵心和無(wú)次級(jí)鐵心的空載氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線圖。從圖4可以看出，有次級(jí)鐵心的空載氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度稍大于無(wú)次級(jí)鐵心的，其中有次級(jí)鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度值為0.63T，無(wú)次級(jí)鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.51T。利用傅里葉分析，有次級(jí)鐵心和無(wú)次級(jí)鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度THD值分別為14.62%和21.99%，正弦程度明顯優(yōu)于軸向和徑向充磁結(jié)構(gòu)。諧波含量主要是3次諧波，它主要是由于直線電動(dòng)機(jī)固有端部效應(yīng)所引起的。

圖4 空載氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度

2.2 空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

圖5為有次級(jí)鐵心和無(wú)次級(jí)鐵心TPMLM在速度為1m/s時(shí)的空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形。有、無(wú)次級(jí)鐵心的最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為58.5V和42.3V。對(duì)三相進(jìn)行傅里葉分解，其THD值依次為1.95%，1.79%，1.98%和1.32%，1.34%，1.41%。充分說(shuō)明，Halbach充磁結(jié)構(gòu)的直線電動(dòng)機(jī)具有較好的正弦感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，提高了電機(jī)的電磁性能。從圖5還可以看出，有次級(jí)鐵心的電機(jī)功率密度大于無(wú)次級(jí)鐵心，而無(wú)次級(jí)鐵心結(jié)構(gòu)可以減小電機(jī)的次級(jí)質(zhì)量，減小次級(jí)的慣動(dòng)轉(zhuǎn)量，具體使用哪種結(jié)構(gòu)，要根據(jù)具體的使用環(huán)境來(lái)決定。

圖5 空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

2.3 負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

同樣地，分析當(dāng)電機(jī)速度為1m/s，負(fù)載為純阻性負(fù)載，其值為20Ω時(shí)，利用有限元計(jì)算有次級(jí)鐵心和無(wú)次級(jí)鐵心的負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，波形圖如圖6所示。從圖6可以看出，兩種類型的波形都具有較好的正弦性和對(duì)稱性，其中B相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值大于其他兩相，這主要是由于在負(fù)載時(shí)的電樞反應(yīng)所引起的。在具體調(diào)整時(shí)，可以通過(guò)改變電機(jī)的繞組匝數(shù)，使得三相輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值接近相同。有次級(jí)鐵心和無(wú)次級(jí)鐵心的最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值分別為55.4V和41.7V。同圖5的空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相比，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位有所偏移，這是由于空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位由永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)決定，而在負(fù)載時(shí)，其相位由電樞反應(yīng)和永磁體的磁場(chǎng)共同決定。

圖6 負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(R=20 Ω)

圖7 無(wú)次級(jí)鐵心負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 和電流(R=18 Ω，L=200 mH)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述有限元分析的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)室制造了一臺(tái)用于波浪發(fā)電系統(tǒng)的TPMLM。采用有次級(jí)鐵心的Halbach充磁結(jié)構(gòu)。圖8為樣機(jī)。

圖8 樣機(jī)

課題組成員于北緯34°18′，東經(jīng)120°16′37″的江蘇省鹽城市濱海港進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此處風(fēng)力較小，沿岸波浪比較穩(wěn)定。圖9為安裝于此處的直驅(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)。其輸電端通過(guò)電纜線引出至防撞墻，用示波器記錄其輸出電壓波形。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，波浪周期T約為37s，波高H約為0.15～0.5m。圖10為示波器采集到的系統(tǒng)輸出電壓波形。直驅(qū)式波浪系統(tǒng)的瞬時(shí)功率可達(dá)30W。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由此類TPMLM組成的直驅(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)，可以將波浪能有效地轉(zhuǎn)換為電能，為以后的大功率波浪開(kāi)發(fā)和利用積累了經(jīng)驗(yàn)。

圖9 波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)

圖10 系統(tǒng)輸出電壓波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)有次級(jí)鐵心和無(wú)次級(jí)鐵心2種結(jié)構(gòu)的Halbach電機(jī)的電磁性能進(jìn)行了研究，利用有限元分析了其氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度、空載和負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。得到的結(jié)論如下：

1) 通過(guò)對(duì)有無(wú)次級(jí)鐵心的Halbach充磁結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行有限元分析，得出有次級(jí)鐵心的TPMLM的功率密度和氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度均大于無(wú)次級(jí)鐵心，可以分別用于不同的場(chǎng)合。如對(duì)出力要求較低，而控制精度較高的場(chǎng)合，可以選用無(wú)次級(jí)鐵心的結(jié)構(gòu)形式。

2) 對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行傅里葉分解，Halbach磁體結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正弦程度高，性能好，可以在波浪發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的電機(jī)，為以后大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用波浪能奠定了基礎(chǔ)。