新型永磁復合電機研究
杜世勤，章躍進，江建中
(上海大學，上海200072)
摘要：永磁無刷電機內(nèi)嵌到同心式磁性齒輪中，形成新型永磁復合電機。電機為內(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。采用數(shù)值解析結(jié)合法計算復合電機磁場，電機三層氣隙區(qū)域無網(wǎng)格剖分，內(nèi)外轉(zhuǎn)子可自由轉(zhuǎn)動，方便感應電動勢計算。電動勢計算波形和實驗波形比較，取得很好的一致。
關鍵詞：復合電機；磁性齒輪；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；數(shù)值解析結(jié)合法
中圖分類號：TM351 文獻標識碼：A 文章綿號：1004—7018(2010)04—0001—03
0引言
直接驅(qū)動可避免機械變速機構(gòu)引起的摩擦、振動、噪聲等許多弊端，因此越來越受到工業(yè)發(fā)達國家的重視[1]。直接電驅(qū)動的關鍵是電機能否達到低速大轉(zhuǎn)矩的要求。自控式永磁同步電機采用分數(shù)槽多極結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動。如電動車輛輪轂式直接驅(qū)動永磁無刷電機[2]；電梯直接驅(qū)動永磁外轉(zhuǎn)子同步曳引機[3]；串聯(lián)磁路結(jié)構(gòu)雙定子混合式直接驅(qū)動電機[4]；橫向磁通永磁電機是典型的高轉(zhuǎn)矩密度電機[5-7]。研究表明，永磁無刷電機在自然冷卻、強制風冷和水冷卻的條件下，其轉(zhuǎn)矩密度可分別達到10 kN.m／m3、20 kN·m／m3、30 kN·m／m3[8]；雙定子永磁電機的轉(zhuǎn)矩密度可達單定子的1．44倍[9]；在自然冷卻條件下，橫向磁通永磁電機的轉(zhuǎn)矩密度可達40～80 kN·m／m3[8]。但是，橫向磁通永磁電機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，無機械接觸。英國、丹麥學者[8,10-11]。從理論和樣機的具體實踐上完成了一種新型磁性齒輪的設計工作，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，轉(zhuǎn)矩傳遞效率可達96％，轉(zhuǎn)矩密度可達100 kN·m／m3[10]。新型磁性齒輪的研究為高轉(zhuǎn)矩密度電機的研制提供了新的途徑。
受到新型磁性齒輪研究的啟發(fā)，本文提出一種復合永磁電機，將高性能同心式磁性齒輪與自控永磁電機集成，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)動的永磁電機。由于舍棄了機械傳動齒輪，從而提高系統(tǒng)的傳動效率，減小體積，降低維護成本和噪聲。復合電機結(jié)構(gòu)復雜，內(nèi)部有三層氣隙，增加了電機磁場分析和計算的難度。本文采用數(shù)值解析結(jié)合法計算復合永磁電機的磁場。數(shù)值解析結(jié)合法的特點是氣隙區(qū)域內(nèi)無網(wǎng)格，內(nèi)外轉(zhuǎn)子能以不同步長、不同轉(zhuǎn)向自由轉(zhuǎn)動，在多氣隙電機的磁場計算中，這一長處得到了充分發(fā)揮，為感應電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩以及電機性能精確計算創(chuàng)造了條件。樣機的感應電動勢計算波形和實驗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新型復合電機的工作原理
復合電機的主要組成部分是同心式磁性齒輪，是由英國D．Howe教授根據(jù)磁場調(diào)制原理提出的一種新型磁性齒輪。磁場調(diào)制式磁性齒輪主要有三部分構(gòu)成，如圖1所示。兩個旋轉(zhuǎn)部件分別是少極內(nèi)轉(zhuǎn)子和多極外轉(zhuǎn)子，兩者中間為導磁與非導磁材料相間構(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，使兩邊永磁體磁場經(jīng)調(diào)制后產(chǎn)生與對面轉(zhuǎn)子永磁體具有相同極對數(shù)的諧波磁場，
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，另一個永磁體轉(zhuǎn)子的極對數(shù)就必須等于k≠O時的一個空間諧波的極對數(shù)。因為m=1，k=一1的組合，可以 |
