Halbach磁齒輪復合電機的分析與研究

王晨

(安徽機電職業技術學院電氣工程系, 安徽蕪湖241000)

Halbach磁齒輪復合電機的分析與研究

王晨

(安徽機電職業技術學院電氣工程系, 安徽蕪湖241000)

將磁齒輪與傳統永磁電機相結合，構成磁齒輪復合電機，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，分析不同轉速下兩種電機的渦流損耗及鐵耗分布規律。結果表明，較傳統的徑向式結構，Halbach磁齒輪傳動復合電機具有諧波含量小、鐵耗小、效率高等優點，內轉子電機的槽口寬度對永磁體渦流損耗產生較大的影響，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

相較傳統的機械齒輪，磁場調制型磁齒輪利用調磁塊改變氣隙磁導，使得內外永磁體均參與了轉矩的傳遞，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矩密度大、噪聲低、不存在機械損耗、傳動效率高等諸多優點。鑒于磁齒輪的諸多優點，國內外許多專家學者將磁場調制型磁齒輪和永磁電機相結合，構成磁齒輪復合電機，實現了低速大轉矩的直接驅動方式，同時利用了磁齒輪的內部空間，提高了整個傳動系統的效率[1-2]。此外，此類電機具有功率密度大、功率因數高等優點，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；將其應用于風力發電機，可代替傳統的機械齒輪，解決了風力機與發電機之間的轉速匹配問題，提高了整個風電系統的效率[3-4]。

與普通的永磁電機相比較，此類電機存在內外兩層永磁體，且內外永磁體間存在調磁塊，較多的永磁體以及調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]是國內關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律，得出一些結論；文獻[6]在分析磁密分布的基礎上，采用全局解析法計算Halbach磁齒輪的氣隙磁場與電磁轉矩，得出Halbach磁齒輪所得轉矩更大，更接近正弦。文獻[7]將調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構參數對電機性能的影響，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上，研究一種Halbach拓撲結構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。

1磁齒輪傳動機理

磁齒輪復合電機的模型如圖1所示。電機由內至外分別由外轉子永磁同步電機的定子、定子繞組，電機永磁體，磁齒輪內永磁體，調磁塊，磁齒輪外永磁體，磁齒輪外轉子。圖1(a)為永磁體普通的徑向式結構，圖1(b)為采用Halbach結構的永磁體。復合電機為雙轉子結構，最內層為磁極對數為3的外轉子永磁同步電機，磁齒輪的內轉子磁極對數pin=4，外轉子磁極對數pout=17，調磁塊位于內外磁極之間，根據磁齒輪傳動的機理，中間調磁塊的個數為內轉磁極對數之和。內外轉子的角速度關系為[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子旋轉，根據磁齒輪傳動的原理，高速轉子帶動低速外轉子旋轉，進而實現低速大轉矩的要求。兩者之間的轉速比為內外層磁極對數之比。

在研究磁齒輪傳動復合電機原理的基礎上，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，充磁具有一定的規律[6,11]。假設該復合電機每極都由n塊永磁體構成，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，根據國內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，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生一定的影響。對于磁齒輪復合電機，鐵損耗主要發生在外轉子電機的定子軛部和中間的調磁塊，調磁塊的存在使得電機內部磁場的分布更加復雜，傳統的電機鐵耗的分析方法不適用于計算該類結構的復合電機。利用有限元分析的方法，忽略端部磁場的影響，得到Halbach拓撲結構的復合電機的調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在調磁塊及內外層永磁體上。

由氣隙磁密的波形圖以及圖6可知，采用Halbach結構的復合電機內外轉子的軛部磁密比徑向式結構的復合電機更低，另外，盡管普通徑向式結構的復合電機的調磁塊磁密更大，但其氣隙磁密的諧波含量比Halbach結構的復合電機更高，因此，采用Halbach結構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速的變化關系(表1)。

表1轉速對復合電機的影響

由表1可知，隨著復合電機外轉子轉速的升高，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熱，產生不可逆退磁的現象[15]，進而影響電機的運行性能。通過改變內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，得到相關結論：

(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，但磁密幅值相對減小；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矩的大小，應選擇合適的槽口寬度。

[1] 杜世勤,章躍進,江建中.新型永磁復合電機研究[J].微特電機,2010,38(4):1-3.

[2] 陳棟,王敏,易靚,等.磁齒輪復合永磁電機綜述[J].電機與控制應用,2015,42(3):1-6.

[3] 包廣清,劉美鈞.圓筒型永磁直線磁齒輪復合發電機的設計[J].微特電機,2016,44(1):1-5.

[4] 王鳳翔.永磁電機在風力發電系統中的應用及其發展趨向[J].電工技術學報,2012,27(3):12-24.

[5] 杜世勤.新型磁齒輪復合電機的設計研究[D].上海:上海大學,2010.

[6] 井立兵,柳霖,章躍進,等.Halbach陣列同心式磁力齒輪參數分析與優化設計[J].電機控制學報,2016,20(3):6-12.

[7] 劉細平,易靚,刁艷美,等.磁齒輪傳動永磁同步風力發電機分析[J].微特電機,2013,41(7):34-37.

[8] 黃松柏.Halbach陣列共軸磁齒輪電機的有限元分析[J].微特電機,2016,44(3):32-35.

[9] DU Y,CHAU K T,CHENG M,et al.Design and analysis linear stator permanent magnet vernier machines[J].IEEE Transactions on Magnetics,2011,47(10):4219-4222.

[10] 蔣一誠,劉國海,趙文祥,等.新型磁齒輪復合電機的設計與分析[J].微電機,2014,47(3):24-28.

[11] 井立兵,章躍進.同心式磁力齒輪磁場及轉矩全局解析法分析[J].中國電機工程學報,2012,32(30):139-146.

[12] 張冬冬,趙海森,王義龍,等.用于電機損耗精細化分析的分段變系數鐵耗計算模型[J].電工技術學報,2016,31(15):17-23.

[13] HWANG K Y,LIN H,RHYU S H.A study on the novel coefficient modeling for a skewed permanent magnet and overhang structure for optimal design of brushless DC motor[J].IEEE Transactions on Magnetics,2012,48(5):1918-1923.

[14] 龔宇,崔巍,章躍進.考慮局部磁滯損耗的復合電機鐵損耗計算[J].中國電機工程學報,2014,34(30):5395-5400.

[15] RASMUSSEN P O,FRANDSEN T V,JENSEN K K,et al.Experimental evaluation of a motor-integrated permanent-magnet gear[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2013,49(2):850-859.

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