一种混合充磁同心磁齿轮及其复合电机分析

杨岸涛，井立兵，李 浩

(三峡大学,宜昌443000)

0 引 言

半直驱和直接驱动已逐渐成为现代驱动方式的优先选择,电磁式驱动作为直接驱动方式的一种,在无机械接触下传递转矩,往往可以避免机械损耗和摩擦疲劳。同心式磁齿轮作为其中一种较为新型的驱动元件,可靠性高,噪声小,可自动过载保护同时也拥有较高的输出转矩[1]。

传统充磁同心式磁齿轮内外转子永磁体一般均采用径向充磁,传动转矩密度最高可达100 k N·m/m3左右[2]。目前,国内外已有许多针对磁齿轮优化及其复合电机应用的研究[3-4]。文献[5]对3种不同传动比磁齿轮的磁密和静态转矩特性进行了比较,其中传动比为-1:5.75的磁齿轮有较大的基次谐波幅值和较小转矩波动。文献[6]通过优化调磁环形状提高了内外转子稳态运行转矩,降低了转矩波动。文献[7]分析了永磁体极对数、调磁环厚度以及轭铁厚度等结构参数对同心式磁齿轮转矩的影响。文献[8]研究了一种Halbach阵列正弦充磁同心式磁齿轮,这种磁齿轮中的气隙磁密谐波幅值较高并有较高的输出转矩。文献[9]提出了一种新型复合电机,其内转子由磁齿轮内转子与直流电机外转子共同构成,实现了低速大转矩输出。这种以同心式磁齿轮为基础的复合电机已逐渐被应用于风力发电机[10-11]、电动汽车[12-13]和航天航空等领域。

同心式磁齿轮依靠内外气隙磁场谐波极对数相匹配来传递谐波[14]。本文在内转子永磁体仍为径向充磁的基础上,将外转子永磁体进行Halbach阵列正弦充磁,建立了一种混合充磁同心式磁齿轮的二维模型,利用有限元软件进行了磁场分析和转矩计算。检验了径向充磁与正弦充磁的谐波匹配程度,并分别与传统充磁同心式磁齿轮和Halbach正弦充磁磁齿轮进行了比较。分析了不同外轭铁厚度下混合充磁磁齿轮的稳态运行转矩,优化了磁齿轮外轭部,并将其与外转子电机相结合形成复合电机。这种混合充磁磁齿轮改变了外转子永磁体充磁方式,借助Halbach阵列优化外铁心轭部,获得了较大的输出转矩增值,可利用于低速大转矩电机。

1 磁齿轮模型

图1为混合充磁同心式磁齿轮模型。从内至外依次为内转子(包括内轭铁和内转子永磁体),调磁环、外转子永磁体与外轭铁组成的外转子。内转子永磁体由径向向外与径向向内2种充磁方向永磁体交错构成,外转子永磁体以每4块永磁体为周期加以正弦充磁。图2给出了正弦充磁永磁体阵列模型,相邻永磁体按顺时针依次改变充磁方向,变化角度为 90°。

图1 混合充磁同心式磁齿轮模型

图2 正弦充磁永磁体阵列磁力线分布

表1给出了这种磁齿轮的主要参数。

表1 磁齿轮主要参数

2 磁场分析与转矩比较

2.1 混合充磁磁齿轮磁场分析

利用Ansoft对混合充磁同心式磁齿轮进行有限元分析,分析了磁齿轮内外气隙的磁场分布。图3为混合充磁磁齿轮内气隙径向磁密和切向磁密与传统同心式磁齿轮的比较结果。

图3 内气隙磁密比较

从图3可以看出,混合充磁下磁齿轮内气隙切向磁密峰值与传统同心式磁齿轮相比有较小提升。再对2种充磁方式磁齿轮外气隙切向磁密进行比较,如图4所示。可以看到,混合充磁下磁齿轮外气隙切向磁密提升效果已较为明显。利用傅里叶变换对磁齿轮气隙中切向磁密进行分解,得各次谐波如图5所示。图中,混合充磁下分别作为内、外气隙基波的4次和23次谐波较传统同心式磁齿轮均有较大程度提高,这一点符合了上述磁密比较结果。

图5 切向磁密谐波分析结果

正弦充磁磁齿轮是指将内、外转子永磁体每极分为若干块,按Halbach阵列以不同方向充磁的磁齿轮。这种磁齿轮较传统径向充磁磁齿轮,消除了部分谐波,有较小谐波含量和较高有效谐波幅值。而混合充磁在提高基波幅值基础上,并没有消去12,16,28次等谐波。正弦充磁与混合充磁磁齿轮外转子均用Halbach阵列正弦充磁,这里对它们的外气隙径向磁密和切向磁密进行傅里叶分析并比较,结果如图6所示。可以看出正弦充磁下,外气隙23次基波径向分量幅值大于混合充磁,但切向分量幅值却比混合充磁小很多。

图6 外气隙谐波分析结果

2.2 静态转矩与稳态运行转矩

静态转矩是指在保持外转子和调磁环不动情况下,令内转子以一定速度(115 r/min)转动,得到的转子转矩特性。图7比较了混合充磁与传统充磁磁齿轮内、外转子静态转矩特性。图中,内转子转至90°电角度时,磁齿轮转子达到最大静态转矩。此时,传统充磁磁齿轮内转子最大静态转矩为17.62 N·m,外转子最大静态转矩为100.96 N·m;混合充磁磁齿轮内转子静态转矩峰值为21.13 N·m,外转子静态转矩峰值为121.15 N·m。图中2种充磁方式磁齿轮转子静态转矩均接近正弦波,内、外转子最大静态转矩之比约等于-1∶5.75,与传动比一致。

图7 内外转子转矩特性

令内转子以顺时针旋转(115 r/min),同时外转子反向转动(20 r/min),得磁齿轮内外转子稳态运行转矩如图8所示。可以看到,2种充磁方式磁齿轮的内外转子稳态转矩均稳定在一定数值并进行小范围波动,基本接近一条直线。而混合充磁下,转子转矩明显大于传统充磁。内转子转矩由原先的17.54±0.06 N·m 提高到21.08±0.05 N·m,增加了20.2%;外转子转矩则由100.87 N·m上升为121.10 N·m,增加了20.1%。混合充磁下内、外转子转矩同时提升了20%,故转矩比也保持在-1∶5.75不变。

图8 稳态运行转矩

图9 为正弦充磁磁齿轮与混合充磁磁齿轮静态转矩比较。正弦充磁下,磁齿轮内转子最大静态转矩为22.11 N·m,外转子最大静态转矩为126.71 N·m。可以看到,与混合充磁磁齿轮相比,正弦充磁磁齿轮输出转矩提升并不大,但需将内转子永磁体每极分为4块同时进行正弦充磁。当只将内转子永磁体每极分为2块形成正弦充磁(正弦化程度较低)时,其输出转矩与混合充磁已接近相同,这里笔者不再进行证明。可证明混合充磁下,磁齿轮内外气隙谐波匹配程度不低,且有较高的转矩传递效率。

图9 静态转矩特性比较

3 混合磁齿轮优化及其复合电机设计

正弦充磁的聚磁效应可使永磁体阵列一侧磁场得到明显增强。在混合充磁磁齿轮中外转子永磁体内侧磁场得到增强,外侧磁场减弱,故可削减外轭铁厚度同时保证较高的输出转矩。这种方式下可减少磁齿轮转子材料,降低涡流损耗。图10是不同外轭铁厚度下稳态运行转矩稳定值。可以看到,随着轭铁厚度的缩小,稳态运行转矩反而逐渐有所提升。当外轭铁厚度缩小至0时,混合充磁内转子转矩为23.15±0.04 N·m,提升了9.8%,且转矩波动没有变大,故可优化外轭部至0 mm。

图10 不同外轭铁厚度下内转子转矩

将无外轭铁磁齿轮与8极12槽外转子电机相结合,得到混合充磁磁齿轮复合电机。这种磁齿轮复合电机外转子、内转子和定子永磁体产生的磁场相互耦合,计算困难,建立有限元模型如图11所示。表2为该复合电机参数(磁齿轮部分参数保持不变)。图12是磁齿轮稳态运行下电机定子三相空载反电动势,最大值约为±44 V。可以看到,反电动势三相对称性较好,但波形顶部有小幅畸变。

图11 无外轭铁混充充磁磁齿轮复合电机

表2 电机主要参数

图12 三相反电动势

4 结 语

本文研究了一种混合充磁同心式磁齿轮,其内转子为传统径向充磁,外转子采用Halbach阵列正弦充磁。建立了二维有限元模型,分析比较后发现这种磁齿轮具有较高的气隙切向磁密幅值和输出转矩。根据正弦充磁下永磁体的磁场分布方式,优化了该磁齿轮外铁心轭部。结果表明,这种优化后的混合充磁同心式磁齿轮较传统充磁输出转矩提升了32%,对磁齿轮优化及应用于低速电机有一定的参考价值。

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