新型材料結(jié)構(gòu)無軸承永磁電機(jī)輸出特性影響分析

＊陳苗 年順

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司德興銅礦 江西 334200）

無軸承永磁電機(jī)（Bearingless Permanent Magnet Motor，BPMSM）是將永磁電機(jī)、磁懸浮電機(jī)及無軸承技術(shù)相融合的產(chǎn)物，由于具有無需潤滑、無摩擦磨損、控制簡單、體積小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，無軸承永磁電機(jī)在大型礦山的采、選礦領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。轉(zhuǎn)子材料、結(jié)構(gòu)的不同對電機(jī)性能影響很大，但目前大部分無軸承永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子材料和結(jié)構(gòu)性能較差，導(dǎo)致電機(jī)的輸出特性不優(yōu)[4]。隨著對鐵磁材料和結(jié)構(gòu)研究的不斷深入，越來越多新型材料和結(jié)構(gòu)被應(yīng)用至永磁電機(jī)中[5]。

近年來，瑞士、日本、美國等國家在無軸承永磁電機(jī)研究領(lǐng)域均取得了不小成就。雖然已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但如何提高電機(jī)中永磁體的工作效率和利用率，使其具有最優(yōu)性能一直是無軸承永磁電機(jī)研究的重點(diǎn)和新需求[6]。近年來，為了更加貼合這一需求，Halbach陣列開始應(yīng)用至無軸承永磁薄片電機(jī)中[7-8]。隨著對鐵磁材料研究的不斷深入，越來越多學(xué)者[8-11]通過研究不同材料對電機(jī)輸出性能的影響，為制造樣機(jī)時(shí)材料的選擇提供依據(jù)。趙元?jiǎng)俚萚12]將1J22、非晶合金等新型材料應(yīng)用到永磁電機(jī)定子上，對比了1J22、非晶合金與傳統(tǒng)定子材料在輸出性能上的優(yōu)異程度。

綜合以上分析，結(jié)合稀土釹鐵硼材料及Halbach陣列結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢和兼容性，設(shè)計(jì)出一種新型的無軸承永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子材料與轉(zhuǎn)子組合，并通過ANSYS電磁仿真驗(yàn)證了該組合的有效性和優(yōu)越性。

1.無軸承永磁電機(jī)的工作原理

本文研究的無軸承永磁電機(jī)跟常規(guī)永磁同步電機(jī)略有不同，除了基本的轉(zhuǎn)矩輸出外，該電機(jī)還能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子完全磁懸浮，其原理圖如圖1[13]。

圖1 無軸承永磁電機(jī)原理圖

其中，無軸承永磁電機(jī)軸向的三個(gè)自由度為被動懸浮，由于無軸承永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向長度遠(yuǎn)低于其徑向長度，按照磁阻力定理，磁力線總會沿著磁路最小路徑閉合，當(dāng)轉(zhuǎn)子偏離平衡位置時(shí)會受到一個(gè)與偏移方向相反的力，把轉(zhuǎn)子拉回至中心。徑向懸浮力產(chǎn)生的原理則是通過兩個(gè)不同極對數(shù)的磁場共同作用，進(jìn)而產(chǎn)生徑向方向上的磁拉力。

2.新型永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

（1）普通永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖2為永磁轉(zhuǎn)子的Halbach陣列結(jié)構(gòu)。

圖2 Halbach陣列結(jié)構(gòu)

如圖2所示，Halbach陣列結(jié)構(gòu)的永磁體塊數(shù)量和布置方式更為復(fù)雜，相比于表貼式結(jié)構(gòu)，Halbach陣列結(jié)構(gòu)可以提高永磁體的效率和利用率，比如需要產(chǎn)生相同的磁場，Halbach陣列結(jié)構(gòu)所消耗的永磁體材料更低，如此一來，便可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)起到節(jié)省昂貴的稀土材料和提升電機(jī)性能的雙向作用。

（2）新型Halbach陣列永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步提高永磁材料的利用率和無軸承永磁電機(jī)的懸浮性能，本文對Halbach陣列進(jìn)行了優(yōu)化。其設(shè)計(jì)過程如下所示。

①做一個(gè)圓與60°磁化永磁體相交；

②去除交點(diǎn)以外的兩個(gè)角部分，將單個(gè)永磁體變成中間厚、邊薄的形狀；

③參數(shù)化掃描該圓的偏心距，找出氣隙磁密度最大時(shí)的偏心距，即最優(yōu)偏心距。參數(shù)化掃描結(jié)果如圖3所示。

圖3 參數(shù)化掃描結(jié)果

從圖3可以看出，永磁體的最佳偏心距為5.5mm。因?yàn)闅庀洞磐芏惹€在偏心距為5.5mm時(shí)最接近正弦曲線，其峰值最小，證明均勻性較好。電機(jī)采用這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，更容易控制，運(yùn)行更穩(wěn)定。因此，對Halbach陣列永磁轉(zhuǎn)子進(jìn)行60°磁化，并進(jìn)行5.5mm偏心處理，獲得新型Halbach陣列永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 新型Halbach陣列永磁轉(zhuǎn)子

（3）仿真分析。為了凸顯本文改進(jìn)Halbach陣列永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，在Ansoft Maxwell 2D中對常規(guī)表貼式永磁轉(zhuǎn)子、常規(guī)Halbach陣列永磁轉(zhuǎn)子和本文改進(jìn)Halbach陣列永磁轉(zhuǎn)子進(jìn)行有限元電磁分析，并對它們的氣隙磁場和徑向懸浮力進(jìn)行了對比。

①氣隙磁場的對比分析

圖5所示為三個(gè)不同永磁陣列結(jié)構(gòu)的磁通線分布。

圖5 三個(gè)不同永磁陣列結(jié)構(gòu)的磁通線分布

從磁力線結(jié)果來看，一方面，Halbach陣列可以集中永磁體側(cè)面磁場，可以得到一個(gè)正弦度高的磁場，這種情況對電機(jī)是非常有利的。另一方面，表貼式永磁體內(nèi)部的磁通線明顯不如Halbach陣列的密集，表明表貼式永磁轉(zhuǎn)子需要使用轉(zhuǎn)子鐵芯，而Halbach陣列可以不需要永磁轉(zhuǎn)子。

從圖5（b）和5（c）對比可知，相對于常規(guī)Halbach陣列轉(zhuǎn)子，其內(nèi)側(cè)的磁通線更靠近永磁體，即新型Halbach陣列的磁路為更短。這表明新型Halbach陣列可以大大降低轉(zhuǎn)子磁軛的厚度，使電機(jī)整體更加緊湊。

上述對比分析說明本文中的新型Halbach陣列結(jié)構(gòu)在輸出性能具有一定優(yōu)勢，下一步將考慮轉(zhuǎn)子永磁體材料對電機(jī)性能的影響。

3.不同永磁材料對電機(jī)性能的影響

通過第3節(jié)獲得了最優(yōu)永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，但除此之外，轉(zhuǎn)子中永磁體材料的選取也是影響電機(jī)性能的重要因素。為此，本文選取了鐵氧體、鋁鎳鈷、釹鐵硼這三種材料作為轉(zhuǎn)子永磁體材料進(jìn)行對比分析，結(jié)構(gòu)均采用第3節(jié)獲得了最優(yōu)永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，仿真軟件采用ANSYS，得到能表征電機(jī)性能的氣隙磁密分布圖如圖6所示。

圖6 三種不同材料的氣隙磁密分布圖

由圖6對比可知，相較于鐵氧體和鋁鎳鈷這兩種材料，同等體積下的稀土釹鐵硼永磁體因?yàn)榫哂休^高的磁能積，能提供最大氣隙磁密度。其次是鐵氧體，最低的是鋁鎳鈷。說明稀土釹鐵硼作為無軸承永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子永磁體材料更優(yōu)。

從圖7中可以看出，徑向懸浮力隨著電流的增大而增大，且稀土釹鐵硼永磁轉(zhuǎn)子曲線斜率大于鐵氧體永磁轉(zhuǎn)子和鋁鎳鈷永磁轉(zhuǎn)子的曲線斜率。當(dāng)通入繞組的電流一致時(shí)，稀土釹鐵硼永磁轉(zhuǎn)子所受的懸浮力是最大的以上說明對于無軸承永磁電機(jī)而言，同等體積下轉(zhuǎn)子永磁體材料，選取稀土釹鐵硼是最優(yōu)的，能夠提供最優(yōu)的懸浮性能。

圖7 三種不同材料的懸浮力對比

鑒于此，將稀土釹鐵硼永磁材料應(yīng)用至電機(jī)中，與新型Halbach陣列相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能和懸浮性能。

4.結(jié)論

本文在考慮無軸承永磁電機(jī)的特殊性的基礎(chǔ)上，綜合Halbach陣列結(jié)構(gòu)與稀土永磁材料的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的無軸承永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子材料與轉(zhuǎn)子組合，并通過ANSYS電磁仿真驗(yàn)證了該組合的有效性和優(yōu)越性。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的新型材料、結(jié)構(gòu)可以顯著提高無軸承永磁電機(jī)的懸浮性能，新型Halbach陣列轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)，且進(jìn)一步提高了工作效率和永磁體利用率。