雙C型定子橫向磁通永磁電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉福貴，李寧寧，楊乾坤，羅 丹

(河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300130)

0 引 言

對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)，定子齒槽與電機(jī)繞組在同一截面，幾何尺寸相互制約，因此電機(jī)轉(zhuǎn)矩很難從根本上提高。橫向磁通永磁電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱TFPMM)的提出有效地解決了上述問題，該電機(jī)的磁路呈三維分布，其電樞繞組和主磁通在結(jié)構(gòu)上是完全解耦的，線圈的截面面積與磁通大小可按需要確定，而不受限制，可以從根本上提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

在橫向磁通永磁電機(jī)研究方面，勞斯萊斯公司在1997年研制出C形鐵心結(jié)構(gòu)的橫向磁通電機(jī)[1]。英國(guó)南安普敦大學(xué)研制出單邊結(jié)構(gòu)TFPMM，采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[2]。丹麥阿爾伯格大學(xué)研發(fā)出一臺(tái)“E”型鐵心TFPMM，效率高于70%。瑞典皇家技術(shù)學(xué)院研制的TFPMM，它的三相定子分布在同一轉(zhuǎn)子圓盤上，每相定子鐵心與繞組分別占據(jù)三分之一的圓周。上海大學(xué)研發(fā)出一種兩相新型TFPMM，該電機(jī)定子由相互平行放置的內(nèi)定子鐵心和外定子鐵心以及位于兩者之間的環(huán)狀定子過渡鐵心三部分構(gòu)成[3-4]。文獻(xiàn)[5]提出了一種雙C型定子聚磁式轉(zhuǎn)子TFPMM(以下簡(jiǎn)稱DSFCR-TFPMM)，該電機(jī)結(jié)構(gòu)有效地提高了定轉(zhuǎn)子在工作時(shí)的利用率。

本文在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上，利用Maxwell有限元分析軟件建立電機(jī)有限元模型，對(duì)定子形狀進(jìn)行改進(jìn)，從而增大電磁轉(zhuǎn)矩；基于電磁屏蔽原理，結(jié)合表面工程技術(shù)的理論，在轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)添加銅層來減小永磁體渦流損耗，并通過設(shè)置變量的方法計(jì)算出最佳的銅層厚度。

1 電機(jī)模型的建立及仿真

1.1 DSFCR-TFPMM有限元模型的建立

圖1給出了DSFCR-TFPMM的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括定子鐵心、永磁體、轉(zhuǎn)子疊片以及線圈繞組。電機(jī)的定子由兩組相反方向放置的C型鐵心構(gòu)成，且同組的相鄰定子之間間隔2倍極距，不同組的相鄰定子間隔1倍的極距。轉(zhuǎn)子疊片和永磁體組成電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分，安裝在正對(duì)定子槽口處的兩個(gè)轉(zhuǎn)子盤上。位于兩側(cè)轉(zhuǎn)子上正對(duì)的永磁體為一對(duì)，且極性相反。繞組線圈沿圓周方向分布在C型定子內(nèi)部，當(dāng)通入電流后，兩組定子中會(huì)同時(shí)產(chǎn)生磁通。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠有效地提高電機(jī)的空間利用率。

(a) 單相電機(jī)

(b) 三相電機(jī)

1.2 DSFCR-TFPMM有限元仿真

對(duì)單相DSFCR-TFPMM建立三維仿真模型，將表1內(nèi)電機(jī)的基本參數(shù)與材料屬性加入模型的各部分。永磁體的切向充磁示意圖如圖2所示；圖3為網(wǎng)格剖分后的模型；圖4為電機(jī)氣隙磁密波形圖，圖5為電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)波形圖。

表1 DSFCR-TFPMM基本參數(shù)

圖3 網(wǎng)格剖分圖

圖4 氣隙磁密波形圖

圖5 空載反電動(dòng)勢(shì)波形圖1.3 DSFCR-TFPMM的工作原理

DSFCR-TFPMM與傳統(tǒng)TFPMM相比，結(jié)構(gòu)原理相同，但磁路有很大差異。如圖6所示，DSFCR-TFPMM具有分布在三維空間上的徑向、軸向和周向磁通。如圖7所示，DSFCR-TFPMM的一對(duì)級(jí)中磁通路徑:永磁體→轉(zhuǎn)子疊片→氣隙→定子鐵心→氣隙→轉(zhuǎn)子疊片→永磁體。

圖6 磁通示意圖

圖7 DSFCR-TFPMM的

2 負(fù)載下定子磁通分析及優(yōu)化

在電流源的驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，DSFCR-TFPMM定子磁通如圖8所示，此時(shí)，單相電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化的計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖8 DSFCR-TFPMM定子磁通分布

圖9 DSFCR-TFPMM電磁轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線

圖8顯示，在定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙處存在明顯的漏磁，它對(duì)電機(jī)的影響是不容忽視的。圖9顯示，此時(shí)單相電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為46.33 N·m，下文將對(duì)定子形狀進(jìn)行優(yōu)化來減小漏磁。

基于聚磁效應(yīng)的原理，將定子槽口處直角改為倒角形式，圖10為優(yōu)化后定子的形狀及磁通?？梢钥闯?，磁力線由定子到轉(zhuǎn)子幾乎是平行進(jìn)入，漏磁有了明顯減小，圖11顯示，優(yōu)化后單相電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩平均值為59.01 N·m，相比于優(yōu)化前提高27.3%，從而證實(shí)了該優(yōu)化的可行性。

圖10 優(yōu)化后DSFCR-TFPMM定子磁通分布

圖11 優(yōu)化后DSFCR-TFPMM電磁轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化曲線

3 永磁體渦流損耗分析及優(yōu)化

當(dāng)電機(jī)處在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，氣隙磁場(chǎng)中的諧波分量與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)子內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而引發(fā)轉(zhuǎn)子渦流損耗。過高的渦流損耗會(huì)引起很高的溫升，加之DSFCR-TFPMM的永磁體采用釹鐵硼材料制成，具有溫度系數(shù)高、居里溫度低的特點(diǎn)，在渦流損耗嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致永磁體發(fā)生不可逆退磁現(xiàn)象，所以要采取有效措施來降低永磁體的渦流損耗。

3.1 負(fù)載下永磁體渦流損耗結(jié)果分析

在電流源驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，某一穩(wěn)定時(shí)間段內(nèi)單相DSFCR-TFPMM永磁體渦流損耗隨時(shí)間變化的計(jì)算結(jié)果如圖12所示，渦流損耗密度分布情況如圖13所示。

圖12 永磁體渦流損耗隨時(shí)間變化曲線

圖13 永磁體渦流損耗密度分布圖

從圖12看出，該時(shí)間段的永磁體渦流損耗平均值為121.32 W，它對(duì)電機(jī)的影響是不可忽視的，下文將在轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)添加屏蔽層對(duì)渦流損耗的影響進(jìn)行研究。

3.2 屏蔽層對(duì)渦流損耗的影響

結(jié)合表面工程技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，基于電磁屏蔽的原理提出減小永磁體渦流損耗的方法。

如圖14所示，在轉(zhuǎn)子靠近定子繞組一側(cè)覆蓋一層銅作為屏蔽層來減小永磁體的渦流損耗，銅層內(nèi)外半徑大小與轉(zhuǎn)子相同，厚度設(shè)為0.5 mm。當(dāng)繞組電流產(chǎn)生的諧波分量經(jīng)過氣隙進(jìn)入銅層后，在銅層內(nèi)部產(chǎn)生渦流，而該渦流反作用于諧波分量，阻止了部分諧波進(jìn)入轉(zhuǎn)子，因此，轉(zhuǎn)子永磁體的渦流損耗得到了減小。此外，銅具有熱傳導(dǎo)率高的性質(zhì)，使熱量更容易散失。

圖14 轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)添加屏蔽層示意圖

下面對(duì)添加銅層后的永磁體進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，圖15為優(yōu)化后永磁體渦流損耗在某一穩(wěn)定時(shí)間段內(nèi)的變化曲線，圖16為渦流損耗密度分布圖，同時(shí)，圖17給出了銅層的渦流損耗密度分布圖。

圖15 優(yōu)化后永磁體渦流損耗隨時(shí)間變化曲線

圖16 優(yōu)化后永磁體渦流損耗密度分布圖

圖17 銅屏蔽層渦流損耗密度分布

相比于優(yōu)化前，永磁體渦流損耗密度值減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，而由圖17可以看出，銅層上的渦流損耗卻很大，說明了銅層有效地阻止了部分電磁諧波進(jìn)入轉(zhuǎn)子，起到了很好的屏蔽作用。

3.3 銅層厚度最優(yōu)值的確定

電磁波在良導(dǎo)體中透入深度的計(jì)算公式：

式中：Δ表示透入深度；ω表示諧波磁場(chǎng)角頻率；μ表示導(dǎo)電材料的磁導(dǎo)率；σ表示導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率?？紤]到DSFCR-TFPMM電機(jī)參數(shù)的影響，制造出具有完全屏蔽諧波分量厚度的銅層是不現(xiàn)實(shí)的。所以，下面對(duì)屏蔽層厚度在一定范圍內(nèi)的取值進(jìn)行變量設(shè)置，仿真后得出最優(yōu)方案，仿真結(jié)果如圖18所示。

圖18 不同屏蔽層厚度對(duì)渦流損耗影響

通過對(duì)比仿真計(jì)算得出的永磁體渦流損耗值，可以確定銅層厚度0.4 mm是最佳的選擇。此時(shí)，永磁體渦流損耗平均值為47.57 W，與優(yōu)化前相比減小了60.79%。

圖19給出了加屏蔽層后的氣隙磁密波形圖?？梢钥闯?，氣隙磁密波形與優(yōu)化前的基本一致，說明電機(jī)主磁通和電磁轉(zhuǎn)矩在優(yōu)化前后沒有較大的改變，這也驗(yàn)證了此方案的可行性。

圖19 加屏蔽層后氣隙磁密波形圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用Maxwell有限元軟件，在文獻(xiàn)[5]基礎(chǔ)上對(duì)DSFCR-TFPMM進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)?；诰鄞判?yīng)原理，改進(jìn)定子形狀，將定子槽口處直角改為倒角形式，減小漏磁的同時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩增大了27.3%；利用電磁屏蔽原理在轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)添加屏蔽層，有效地減小了永磁體渦流損耗，并且通過設(shè)置變量的方法得出屏蔽層厚度為0.4mm時(shí)效果最佳，與優(yōu)化前相比渦流損耗減小了60.79%。