新型永磁復(fù)合電機(jī)研究

杜世勤，章躍進(jìn)，江建中

  (上海大學(xué)，上海200072)

摘要：永磁無刷電機(jī)內(nèi)嵌到同心式磁性齒輪中，形成新型永磁復(fù)合電機(jī)。電機(jī)為內(nèi)定子外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，外轉(zhuǎn)子輸出低速大轉(zhuǎn)矩，適合直接驅(qū)動(dòng)。采用數(shù)值解析結(jié)合法計(jì)算復(fù)合電機(jī)磁場(chǎng)，電機(jī)三層氣隙區(qū)域無網(wǎng)格剖分，內(nèi)外轉(zhuǎn)子可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，方便感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算。電動(dòng)勢(shì)計(jì)算波形和實(shí)驗(yàn)波形比較，取得很好的一致。

    關(guān)鍵詞：復(fù)合電機(jī)；磁性齒輪；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)；數(shù)值解析結(jié)合法

    中圖分類號(hào)：TM351  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章綿號(hào)：1004—7018(2010)04—0001—03

0引言

    直接驅(qū)動(dòng)可避免機(jī)械變速機(jī)構(gòu)引起的摩擦、振動(dòng)、噪聲等許多弊端，因此越來越受到工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的重視[1]。直接電驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵是電機(jī)能否達(dá)到低速大轉(zhuǎn)矩的要求。自控式永磁同步電機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽多極結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動(dòng)。如電動(dòng)車輛輪轂式直接驅(qū)動(dòng)永磁無刷電機(jī)[2]；電梯直接驅(qū)動(dòng)永磁外轉(zhuǎn)子同步曳引機(jī)[3]；串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)雙定子混合式直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)[4]；橫向磁通永磁電機(jī)是典型的高轉(zhuǎn)矩密度電機(jī)[5-7]。研究表明，永磁無刷電機(jī)在自然冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷和水冷卻的條件下，其轉(zhuǎn)矩密度可分別達(dá)到10 kN.m／m3、20 kN·m／m3、30 kN·m／m3[8]；雙定子永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度可達(dá)單定子的1．44倍[9]；在自然冷卻條件下，橫向磁通永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度可達(dá)40～80 kN·m／m3[8]。但是，橫向磁通永磁電機(jī)性能上存在功率因數(shù)低、定位轉(zhuǎn)矩大的問題。

    磁性齒輪利用磁力傳動(dòng)，無機(jī)械接觸。英國(guó)、丹麥學(xué)者[8,10-11]。從理論和樣機(jī)的具體實(shí)踐上完成了一種新型磁性齒輪的設(shè)計(jì)工作，結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種磁性齒輪克服了以往永磁齒輪轉(zhuǎn)矩密度低及磁鋼利用率差的缺點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩傳遞效率可達(dá)96％，轉(zhuǎn)矩密度可達(dá)100 kN·m／m3[10]。新型磁性齒輪的研究為高轉(zhuǎn)矩密度電機(jī)的研制提供了新的途徑。

    受到新型磁性齒輪研究的啟發(fā)，本文提出一種復(fù)合永磁電機(jī)，將高性能同心式磁性齒輪與自控永磁電機(jī)集成，如圖2所示。磁性齒輪的少極內(nèi)轉(zhuǎn)子與內(nèi)部永磁電機(jī)的多極外轉(zhuǎn)子合為一體，磁性齒

輪的低速外轉(zhuǎn)子與輸出軸相聯(lián)結(jié)，永磁電機(jī)的內(nèi)定子與磋性齒輪的調(diào)磁部分為定子，從而獲得一種結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)矩密度高，可用于低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動(dòng)的永磁電機(jī)。由于舍棄了機(jī)械傳動(dòng)齒輪，從而提高系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，減小體積，降低維護(hù)成本和噪聲。復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部有三層氣隙，增加了電機(jī)磁場(chǎng)分析和計(jì)算的難度。本文采用數(shù)值解析結(jié)合法計(jì)算復(fù)合永磁電機(jī)的磁場(chǎng)。數(shù)值解析結(jié)合法的特點(diǎn)是氣隙區(qū)域內(nèi)無網(wǎng)格，內(nèi)外轉(zhuǎn)子能以不同步長(zhǎng)、不同轉(zhuǎn)向自由轉(zhuǎn)動(dòng)，在多氣隙電機(jī)的磁場(chǎng)計(jì)算中，這一長(zhǎng)處得到了充分發(fā)揮，為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)性能精確計(jì)算創(chuàng)造了條件。樣機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算波形和實(shí)驗(yàn)波形取得了很好的一致，證明了本文分析方法的正確性和有效性。

1新型復(fù)合電機(jī)的工作原理

    復(fù)合電機(jī)的主要組成部分是同心式磁性齒輪，是由英國(guó)D．Howe教授根據(jù)磁場(chǎng)調(diào)制原理提出的一種新型磁性齒輪。磁場(chǎng)調(diào)制式磁性齒輪主要有三部分構(gòu)成，如圖1所示。兩個(gè)旋轉(zhuǎn)部件分別是少極內(nèi)轉(zhuǎn)子和多極外轉(zhuǎn)子，兩者中間為導(dǎo)磁與非導(dǎo)磁材料相間構(gòu)成的調(diào)磁鐵塊，起到調(diào)制內(nèi)外轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的作用。

  新型磁性齒輪的巧妙之處是利用調(diào)磁鐵塊引起主磁路磁阻的變化，使兩邊永磁體磁場(chǎng)經(jīng)調(diào)制后產(chǎn)生與對(duì)面轉(zhuǎn)子永磁體具有相同極對(duì)數(shù)的諧波磁場(chǎng)，

    從上式可以得出，調(diào)制后的氣隙徑向磁密，其空間諧波的極對(duì)數(shù)如下：

而且可以得出磁密空間諧波的旋轉(zhuǎn)角速度為：

    由上式可知，由于引入了調(diào)磁齒極，即k≠0，氣隙磁密空問諧波的旋轉(zhuǎn)角速度已不同于永磁體所在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度。因此，要使內(nèi)、外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同，k必須為非零值。于是，另一個(gè)永磁體轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)就必須等于k≠O時(shí)的一個(gè)空間諧波的極對(duì)數(shù)。因?yàn)閙=1，k=一1的組合，可以