團隊介紹

井立兵，工學博士(后)，三峽大學電氣與新能源學院副教授，博士研究生導師，主要研究方向為磁力傳動裝置設(shè)計，新型特種電機研制和電機電磁場計算等。作為負責人或主研人員參與10余項科研項目的研究，包括國家自然科學基金、湖北省自然科學基金項目、國家重大儀器專項子課題，中國博士后面上項目以及多項開放基金項目。在IEEE Transactions、中國電機工程學報、電工技術(shù)學報等國內(nèi)外學術(shù)刊物發(fā)表學術(shù)論文70余篇。

龔俊，碩士研究生，主要從事磁力傳動設(shè)計及電機電磁場計算研究，發(fā)表的學術(shù)期刊論文被SCI/EI收錄6篇。

導語

本文運用二維精確子域解析法計算Halbach陣列磁力變速永磁無刷電機氣隙磁場。根據(jù)磁力變速永磁無刷電機的結(jié)構(gòu)特點，分別建立磁力齒輪和永磁無刷電機兩部件解析模型，求解場域通過邊界連續(xù)條件建立聯(lián)系。通過各子區(qū)域的矢量磁位磁通解析式來計算電機磁場、齒槽轉(zhuǎn)矩、反電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩；最后通過樣機空載和負載試驗測試。證明了該解析方法的正確性和有效性。

研究背景

永磁電機在重量和體積上均較小，結(jié)構(gòu)相對比較簡單，具有高效率，低損耗等顯著優(yōu)勢，已應(yīng)用于現(xiàn)代科技生產(chǎn)和社會生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。要實現(xiàn)直驅(qū)式永磁電機低速大轉(zhuǎn)矩傳遞，需增加永磁體極對數(shù)，增大電機體積，電機轉(zhuǎn)矩雖有所增加，但電機轉(zhuǎn)矩密度顯著降低。磁力齒輪與永磁電機配合構(gòu)成復合電機具有較高的轉(zhuǎn)矩密度，在低速高扭矩場合如電動汽車、風力渦輪機，這種復合電機將發(fā)揮它的巨大優(yōu)勢。

應(yīng)用解析法對復合電機氣隙磁場進行計算，可以有效解決數(shù)值法計算復合電機模型時，在氣隙網(wǎng)格剖分和轉(zhuǎn)動位置上的缺陷，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的自由旋轉(zhuǎn)。

論文方法及創(chuàng)新點

圖1是Halbach陣列磁力變速永磁無刷復合電機結(jié)構(gòu)模型。該復合電機由兩大部件構(gòu)成：內(nèi)部是一個帶外轉(zhuǎn)子的永磁無刷電機 (PMBM)；外部是一個磁力齒輪 (MG)。復合電機的高速內(nèi)轉(zhuǎn)子由PMBM轉(zhuǎn)子和MG高速轉(zhuǎn)子通過一個不銹鋼圈連接組成；復合電機低速外轉(zhuǎn)子是MG的低速轉(zhuǎn)子。

復合電機低速和高速轉(zhuǎn)子磁體分別采用徑向充磁和Halbach陣列結(jié)構(gòu)，利用Halbach陣列的磁場自屏蔽效應(yīng)，使電機與磁力齒輪主磁通相互解耦。由于采用Halbach陣列，轉(zhuǎn)子鐵芯軛部的磁場相對很弱，可適當減小軛部厚度，不但節(jié)省硅鋼片材料，還可縮小復合電機總體積。

圖1 復合電機模型

Halbach陣列具有聚磁效應(yīng)，但需要有正確的磁化角度來獲得正弦分布磁場。圖2是內(nèi)電機高速轉(zhuǎn)子一對永磁體平面圖，其中永磁體每一極均分3小塊，每隔60°依次充磁，箭頭代表的是每小塊磁體磁化方向。

圖2 磁體磁化示意圖

圖3是電樞反應(yīng)磁場氣隙磁通密度的徑向分量和切向分量。解析結(jié)果與有限元分析結(jié)果相符，電樞反應(yīng)磁場描述準確。證實了本方法是正確有效的。

圖3 電樞反應(yīng)磁通密度

圖4(a)、(b)分別表示該復合電機齒槽轉(zhuǎn)矩計算結(jié)果和傅立葉分解結(jié)果。由圖可知，齒槽轉(zhuǎn)矩周期是20°電角度，幅值約為117.3mN?m。齒槽轉(zhuǎn)矩兩種計算值波形吻合良好。

圖4 齒槽轉(zhuǎn)矩

圖5所示為Halbach陣列磁力變速永磁無刷電機試驗平臺。

圖5 樣機及試驗平臺

樣機傳遞效率曲線如圖6所示。從圖中可知，在轉(zhuǎn)速為15r/min，輸出轉(zhuǎn)矩為40N?m、80N?m和120N?m時，傳遞效率均低于90%。這是因為空載損耗占相對較大比值，復合電機在低速、輕載運行時，傳遞效率相對較低，而隨著輸入功率的增大，空載損耗所占的比例逐漸下降，效率逐步提高，基本都在91%以上。

圖6 傳遞效率

圖7為不同負載下，復合電機功率因數(shù)的變化曲線。功率因數(shù)曲線隨著轉(zhuǎn)速的升高整體呈現(xiàn)下降的趨勢。與傳遞效率相似，負載較輕時，功率因數(shù)較小，大負載運行時，功率因數(shù)較高。樣機運行最大功率因數(shù)可以達到0.905。

圖7 功率因數(shù)

同時還對Halbach陣列磁力變速永磁無刷復合電機轉(zhuǎn)矩響應(yīng)進行了測試。該復合電機的輸出轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)性能良好，跟隨速度快，轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定且脈動較小。

結(jié)論

本文采用解析法計算了Halbach陣列磁力變速永磁無刷復合電機磁場、建立了Halbach陣列充磁解析模型、各子區(qū)域矢量表達式。計算了復合電機內(nèi)層氣隙磁密和電機齒槽轉(zhuǎn)矩，解析計算波形與有限元法計算波形結(jié)果一致，較有限元法計算時間短，證明了解析法的有效性和正確性；同時能快速改變復合電機的主要電磁參數(shù)尺寸，達到優(yōu)化預設(shè)計的目的。

從試驗結(jié)果知，樣機效率可以達到90%以上，且比較穩(wěn)定；負載運行的最大功率因數(shù)可達0.905，隨著轉(zhuǎn)速的升高，功率因數(shù)整體呈下降的趨勢。而且，采用Halbach陣列結(jié)構(gòu)，可以節(jié)約成本，有效減小電機體積，提高電機轉(zhuǎn)矩密度。本研究方法可以為磁力齒輪復合電機設(shè)計提供一種有力的工具。

引用本文

井立兵, 龔俊, 章躍進, 曲榮海. Halbach陣列磁力變速永磁無刷電機解析計算與設(shè)計[J]. 電工技術(shù)學報, 2020, 35(5): 954-962. Jing Libing, Gong Jun, Zhang Yuejin, Qu Ronghai. Analytical Calculation and Design of Magnetic Variable Speed Permanent Magnet Brushless Machine with Halbach Arrays. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 954-962.