Halbach結(jié)構(gòu)在空間環(huán)境電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

石宏順，崔浪浪，劉 勇，班解進(jìn)

(1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴陽(yáng) 550081；2.國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心，貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

電機(jī)是空間探測(cè)航天器中重要的驅(qū)動(dòng)部件，將電能轉(zhuǎn)換為作動(dòng)機(jī)構(gòu)需要的機(jī)械能，被廣泛應(yīng)用于航天器環(huán)控系統(tǒng)、天線(xiàn)、消旋平臺(tái)、跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)、光學(xué)相機(jī)、光電望遠(yuǎn)鏡、姿態(tài)控制等[1]。空間探測(cè)是一項(xiàng)高成本、高要求的航天活動(dòng)，故需要電機(jī)在性能、質(zhì)量、可靠性必須做到最優(yōu)。Halbach永磁體陣列是無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子中一種磁路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有單邊聚磁的特點(diǎn)[2-5]，可在一定程度上改善電機(jī)性能、優(yōu)化電機(jī)質(zhì)量。本文基于Halbach永磁體陣列結(jié)構(gòu)開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，使電機(jī)性能、質(zhì)量、可靠性最優(yōu)。

1 Halbach陣列基本理論

Halbach永磁體陣列如圖1所示，通過(guò)改變轉(zhuǎn)子上永磁體充磁方向，達(dá)到改善氣隙磁場(chǎng)來(lái)優(yōu)化電機(jī)性能的目的。Halbach陣列磁路具有單邊聚磁的特點(diǎn)，可通過(guò)永磁體自身構(gòu)建磁回路，則永磁體的一側(cè)可不需要磁路。對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，理想的Halbach陣列是按式(1)進(jìn)行永磁體環(huán)整體充磁，可得到正弦的氣隙磁場(chǎng)。

圖1 Halbach永磁體陣列

(1)

式中:p為永磁體極對(duì)數(shù)；θm為磁化矢量M和θ=0之間的夾角。Halbach陣列電機(jī)氣隙磁密表達(dá)式如下[6]：

(2)

(3)

(4)

式中：Ri和Ro為永磁體的內(nèi)外半徑；Rm為定子鐵心的半徑；Br為永磁體剩磁；μr為磁導(dǎo)率。

可看出Halbach陣列氣隙磁密是正弦分布的。

2 輕量化電機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)指標(biāo)要求

某型空間環(huán)境永磁同步電機(jī)技術(shù)指標(biāo)如下：真空度10-6Pa ～10-8Pa；電壓42 V，空載轉(zhuǎn)速不小于4 900 r/min；電壓42 V、轉(zhuǎn)矩0.63 N·m下轉(zhuǎn)速不小于4 200 r/min；外徑75 mm。

2.2 基于常規(guī)永磁體陣列的電磁設(shè)計(jì)

按常規(guī)電磁設(shè)計(jì)方法，轉(zhuǎn)子上永磁體采用表貼式瓦形結(jié)構(gòu)、平行充磁，基本電磁參數(shù)如表1所示，電磁模型如圖2所示，基于ANSYS Maxwell軟件進(jìn)行電機(jī)性能仿真。

表1 電磁參數(shù)

圖2 常規(guī)電磁模型(箭頭表示充磁方向)

采用Id=0的控制方式，通過(guò)優(yōu)化永磁體極弧系數(shù)獲得電機(jī)最優(yōu)性能，優(yōu)化結(jié)果如圖3所示，當(dāng)極弧系數(shù)取0.75時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩滿(mǎn)足指標(biāo)要求且轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最優(yōu)。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是表征電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性的重要指標(biāo)，一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)越小，則齒槽轉(zhuǎn)矩越小、反電動(dòng)勢(shì)畸變率越小、氣隙磁場(chǎng)正弦性越好，電機(jī)綜合運(yùn)行性能越好。電機(jī)最優(yōu)性能結(jié)果如表2、圖4、圖5所示?？蛰d轉(zhuǎn)速5 360 r/min，負(fù)載下相電流7.5 A、轉(zhuǎn)速4 500 r/min、輸出轉(zhuǎn)矩0.644 N·m、反電動(dòng)勢(shì)畸變率1.72%、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)1.68%，轉(zhuǎn)子(永磁體+磁軛)質(zhì)量113.7 g，設(shè)計(jì)結(jié)果滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

圖3 不同極弧系數(shù)下輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)曲線(xiàn)

表2 電機(jī)性能仿真結(jié)果

圖4 空載氣隙磁密曲線(xiàn)

圖5 空載反電動(dòng)勢(shì)波形

2.3 基于Halbach永磁體陣列的電磁設(shè)計(jì)

理想的Halbach陣列通過(guò)整環(huán)磁體進(jìn)行充磁，由于受到制造工藝、成本的制約，可通過(guò)分段充磁的方式，獲得近似的正弦磁場(chǎng)。在常規(guī)電磁模型的基礎(chǔ)上，定子不變(鐵心、繞組)，按Halbach陣列方法，將轉(zhuǎn)子每極永磁體分為兩段(主永磁體和輔永磁體)，轉(zhuǎn)子電磁模型如圖6所示。

圖6 Halbach兩段永磁體陣列轉(zhuǎn)子電磁模型

2.3.1 磁軛厚度優(yōu)化分析

常規(guī)的電機(jī)設(shè)計(jì)中，磁軛是轉(zhuǎn)子上磁場(chǎng)的磁通路，一般密度較大且是導(dǎo)磁的鋼材料。取主永磁體極弧系數(shù)0.75，輔永磁體極弧系數(shù)0.25，磁軛厚度0～3.2 mm進(jìn)行優(yōu)化分析，在與常規(guī)設(shè)計(jì)相同的相電流7.5 A、輸出轉(zhuǎn)速4 500 r/min下，不同磁軛厚度下電機(jī)性能仿真結(jié)果如圖7～圖8所示。從結(jié)果看，由于Halbach結(jié)構(gòu)有單邊聚磁作用(圖9，磁路不經(jīng)過(guò)磁軛)，無(wú)磁軛時(shí)(厚度為0)依然保持一定的輸出轉(zhuǎn)矩，但較有磁軛輸出轉(zhuǎn)矩降低約0.07 N·m，原因是無(wú)磁軛時(shí)存在漏磁，但與常規(guī)設(shè)計(jì)方法輸出轉(zhuǎn)矩相當(dāng)，均能滿(mǎn)足輸出轉(zhuǎn)矩指標(biāo)要求；無(wú)磁軛和有磁軛電機(jī)在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)上無(wú)明顯差異；無(wú)磁軛使得轉(zhuǎn)子(永磁體和輔永磁體)質(zhì)量減少至58.7 g，降低了55 g。磁軛是永磁體安裝的支撐零件，結(jié)合以上分析，可采用輕質(zhì)材料替代密度大的導(dǎo)磁材料輔助永磁體安裝，從航天成本來(lái)看，這種轉(zhuǎn)子在質(zhì)量上有突出優(yōu)勢(shì)。

圖7 不同磁軛厚度輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)曲線(xiàn)

圖8 不同磁軛厚度轉(zhuǎn)子磁路質(zhì)量變化曲線(xiàn)

圖9 Halbach單邊聚磁效應(yīng)

2.3.2 永磁體極弧系數(shù)優(yōu)化分析

通過(guò)以上磁軛厚度優(yōu)化分析，無(wú)導(dǎo)磁磁軛結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比常規(guī)設(shè)計(jì)略大，綜合性能未能達(dá)到最優(yōu)，需優(yōu)化永磁體極弧系數(shù)，主永磁體極弧系數(shù)αp取值0.2～0.8，輔永磁體極弧系數(shù)取1-αp，在與常規(guī)設(shè)計(jì)相同的相電流7.5 A、輸出轉(zhuǎn)速4 500 r/min下，不同極弧系數(shù)電機(jī)性能仿真結(jié)果如圖10所示。通過(guò)仿真結(jié)果看出，主永磁體極弧系數(shù)0.66、輔永磁體極弧系數(shù)0.34時(shí)綜合性能最優(yōu)，輸出轉(zhuǎn)矩0.654 N·m，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)1.28%。

圖10 不同極弧系數(shù)輸出電磁轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)曲線(xiàn)

2.3.3 分段數(shù)優(yōu)化分析

采用三段Halbach永磁體陣列、無(wú)導(dǎo)磁磁軛結(jié)構(gòu)模型如圖11所示，通過(guò)輔永磁體充磁方向(0～90°)、主永磁體極弧系數(shù)αp=0.2～0.7及輔永磁體極弧系數(shù)取(1-αp)/2進(jìn)行優(yōu)化。在與常規(guī)設(shè)計(jì)相同的相電流7.5 A、輸出轉(zhuǎn)速4 500 r/min下，電機(jī)性能仿真結(jié)果如圖12所示。在主永磁體極弧系數(shù)0.4、輔永磁體極弧系數(shù)0.3、輔永磁體充磁方向40°時(shí)綜合性能最優(yōu)，輸出轉(zhuǎn)矩0.664 N·m，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)1.36%。

圖11 三段Halbach永磁體陣列電磁模型

圖12 三段結(jié)構(gòu)輔永磁體充磁方向與輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)曲線(xiàn)

與兩段Halbach陣列結(jié)構(gòu)對(duì)比，從綜合性能最優(yōu)結(jié)果來(lái)看，在相同相電流、輸出轉(zhuǎn)速下，三段結(jié)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)矩提高1.5%，但轉(zhuǎn)矩波動(dòng)增大了6.25%，兩者差異不大；從工藝性來(lái)看，兩段結(jié)構(gòu)充磁、制造易實(shí)現(xiàn)，三段結(jié)構(gòu)充磁方向不易控制，增加了性能差異風(fēng)險(xiǎn)，且永磁體數(shù)量增加、尺寸變小，導(dǎo)致制造時(shí)間成本增加且永磁體裝配過(guò)程易斷裂。綜合分析，從可靠性、工藝性的角度來(lái)看，本電機(jī)Halbach陣列結(jié)構(gòu)應(yīng)選用兩段。

2.3.4 Halbach電磁設(shè)計(jì)結(jié)果

綜上所述，采用兩段Halbach永磁體陣列、輕質(zhì)磁軛(保證永磁體安裝)、主永磁體極弧系數(shù)0.66的電磁方案，與常規(guī)設(shè)計(jì)方案電磁參數(shù)、性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3、表4、圖13～圖16所示。

圖13 空載氣隙磁密曲線(xiàn)對(duì)比

圖14 空載反電動(dòng)勢(shì)波形對(duì)比

圖15 空載轉(zhuǎn)速波形對(duì)比

圖16 輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比

表3 電磁參數(shù)對(duì)比

表4 電磁性能對(duì)比

在性能方面，Halbach陣列設(shè)計(jì)比常規(guī)設(shè)計(jì)反電動(dòng)勢(shì)畸變率降低了24%、輸出轉(zhuǎn)矩提高了1.5%、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)降低了23.8%，Halbach陣列性能更優(yōu)；從質(zhì)量來(lái)看，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖17所示，Halbach結(jié)構(gòu)采用厚度1.5 mm輕質(zhì)鈦合金替代3.2 mm的2Cr13并作為永磁體支撐，轉(zhuǎn)子(永磁體+磁軛)質(zhì)量由113.7 g減至74.7 g，減少了34.3%，Halbach陣列結(jié)構(gòu)質(zhì)量上更優(yōu)；從結(jié)構(gòu)可靠性來(lái)看，兩種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工藝類(lèi)似，可靠性基本一致。

圖17 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3 樣機(jī)驗(yàn)證與分析

基于兩段Halbach永磁體陣列方案進(jìn)行樣機(jī)制造，樣機(jī)實(shí)物如圖18所示，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表5所示。從結(jié)果看，樣機(jī)實(shí)測(cè)性能與設(shè)計(jì)基本相符，滿(mǎn)足了技術(shù)指標(biāo)要求，表明本設(shè)計(jì)方法是正確的。

圖18 樣機(jī)

表5 樣機(jī)性能

4 結(jié) 語(yǔ)

為滿(mǎn)足空間環(huán)境下電機(jī)的性能、質(zhì)量和可靠性最優(yōu)需求，電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)采用Halbach永磁體陣列結(jié)構(gòu)，利用Halbach結(jié)構(gòu)單邊聚磁的特點(diǎn)，進(jìn)行了電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)。以某型空間環(huán)境電機(jī)為例，通過(guò)優(yōu)化對(duì)比分析，Halbach陣列設(shè)計(jì)方法在性能、質(zhì)量上均優(yōu)于常規(guī)設(shè)計(jì)。在性能方面，Halbach陣列比常規(guī)設(shè)計(jì)空載反電動(dòng)勢(shì)畸變率降低了24%、輸出轉(zhuǎn)矩提高了1.5%、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)降低了23.8%；在質(zhì)量方面，Halbach陣列設(shè)計(jì)采用輕質(zhì)磁軛材料，轉(zhuǎn)子質(zhì)量減少了34.3%；在可靠性方面，兩種方法相當(dāng)。通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Halbach陣列設(shè)計(jì)方案的正確性。

Halbach陣列有助于電機(jī)性能提升，同時(shí)，可采用輕質(zhì)磁軛替代密度大的導(dǎo)磁磁軛，大大降低了電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量，特別是空心轉(zhuǎn)子電機(jī)，減重效果顯著，如分體式電機(jī)。本文僅進(jìn)行兩段、三段Halbach陣列分析，從氣隙磁密曲線(xiàn)來(lái)看并不能獲得良好的正弦性，理論上可通過(guò)更多分段數(shù)獲得理想的正弦氣隙磁密曲線(xiàn)，但應(yīng)注意電機(jī)體積是否允許多分段的可行性。