三峽大學井立兵團隊特稿:磁力變速永磁無刷電機的解析計算與設計

2020-12-05 電氣新科技

團隊介紹

井立兵，工學博士(後)，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計，新型特種電機研製和電機電磁場計算等。作為負責人或主研人員參與10餘項科研項目的研究，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，中國博士後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、電工技術學報等國內外學術刊物發表學術論文70餘篇。

龔俊，碩士研究生，主要從事磁力傳動設計及電機電磁場計算研究，發表的學術期刊論文被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。根據磁力變速永磁無刷電機的結構特點，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條件建立聯繫。通過各子區域的矢量磁位磁通解析式來計算電機磁場、齒槽轉矩、反電動勢和電磁轉矩；最後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，結構相對比較簡單，具有高效率，低損耗等顯著優勢，已應用於現代科技生產和社會生產生活的各個領域。要實現直驅式永磁電機低速大轉矩傳遞，需增加永磁體極對數，增大電機體積，電機轉矩雖有所增加，但電機轉矩密度顯著降低。磁力齒輪與永磁電機配合構成複合電機具有較高的轉矩密度，在低速高扭矩場合如電動汽車、風力渦輪機，這種複合電機將發揮它的巨大優勢。

應用解析法對複合電機氣隙磁場進行計算，可以有效解決數值法計算複合電機模型時，在氣隙網格剖分和轉動位置上的缺陷，從而實現轉子的自由旋轉。

論文方法及創新點

圖1是Halbach陣列磁力變速永磁無刷複合電機結構模型。該複合電機由兩大部件構成：內部是一個帶外轉子的永磁無刷電機 (PMBM)；外部是一個磁力齒輪 (MG)。複合電機的高速內轉子由PMBM轉子和MG高速轉子通過一個不鏽鋼圈連接組成；複合電機低速外轉子是MG的低速轉子。

複合電機低速和高速轉子磁體分別採用徑向充磁和Halbach陣列結構，利用Halbach陣列的磁場自屏蔽效應，使電機與磁力齒輪主磁通相互解耦。由於採用Halbach陣列，轉子鐵芯軛部的磁場相對很弱，可適當減小軛部厚度，不但節省矽鋼片材料，還可縮小複合電機總體積。

圖1 複合電機模型

Halbach陣列具有聚磁效應，但需要有正確的磁化角度來獲得正弦分布磁場。圖2是內電機高速轉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是電樞反應磁場氣隙磁通密度的徑向分量和切向分量。解析結果與有限元分析結果相符，電樞反應磁場描述準確。證實了本方法是正確有效的。

圖3 電樞反應磁通密度

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

圖4 齒槽轉矩

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，在轉速為15r/min，輸出轉矩為40Nm、80Nm和120Nm時，傳遞效率均低於90%。這是因為空載損耗佔相對較大比值，複合電機在低速、輕載運行時，傳遞效率相對較低，而隨著輸入功率的增大，空載損耗所佔的比例逐漸下降，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，複合電機功率因數的變化曲線。功率因數曲線隨著轉速的升高整體呈現下降的趨勢。與傳遞效率相似，負載較輕時，功率因數較小，大負載運行時，功率因數較高。樣機運行最大功率因數可以達到0.905。

圖7 功率因數

同時還對Halbach陣列磁力變速永磁無刷複合電機轉矩響應進行了測試。該複合電機的輸出轉矩動態響應性能良好，跟隨速度快，轉矩穩定且脈動較小。

結論

本文採用解析法計算了Halbach陣列磁力變速永磁無刷複合電機磁場、建立了Halbach陣列充磁解析模型、各子區域矢量表達式。計算了複合電機內層氣隙磁密和電機齒槽轉矩，解析計算波形與有限元法計算波形結果一致，較有限元法計算時間短，證明了解析法的有效性和正確性；同時能快速改變複合電機的主要電磁參數尺寸，達到優化預設計的目的。

從試驗結果知，樣機效率可以達到90%以上，且比較穩定；負載運行的最大功率因數可達0.905，隨著轉速的升高，功率因數整體呈下降的趨勢。而且，採用Halbach陣列結構，可以節約成本，有效減小電機體積，提高電機轉矩密度。本研究方法可以為磁力齒輪複合電機設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計[J]. 電工技術學報， 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.

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