雙轉(zhuǎn)子徑向永磁電機(jī)氣隙磁密的分析計算

1、2010年第 43 卷第 8期雙轉(zhuǎn)子徑向永磁電機(jī)氣隙磁密的分析計算收稿日期 :2009 07 21基金項(xiàng)目 :廣州市科技計劃項(xiàng)目( 2008z1-d421)曹江華 ,楊向宇 ,肖如晶(華南理工大學(xué)電力學(xué)院 ,廣州510640)摘要:雙轉(zhuǎn) 子徑向永磁 電機(jī)可以 大大提高轉(zhuǎn) 矩密度和 效率。該文 首先簡 要介紹 了雙 轉(zhuǎn)子徑 向永 磁電 機(jī)的基 本結(jié)構(gòu)、 原理、特性及設(shè)計依據(jù) ,然后采用 等效磁路法 對氣隙磁 密進(jìn)行了解 析,最后 利用 有限元 法對 所設(shè) 計電機(jī) 進(jìn)行了靜 態(tài)磁場的分 析和氣隙 磁密計算值 的驗(yàn)證。結(jié) 果表明 ,雙 轉(zhuǎn)子徑向 永磁電機(jī)在 磁場 上可看 作由 共用 定子鐵 心的兩個

2、 傳統(tǒng)內(nèi)、外 轉(zhuǎn)子永磁 電機(jī)并聯(lián)而 成,氣隙磁 密的解析 值和有限元 計算值也 吻合 得較好 ,證明 了分 析和設(shè) 計的可行 性。關(guān)鍵詞 :雙轉(zhuǎn)子徑向永磁電機(jī);氣隙磁密 計算 ; 靜 態(tài)磁場 ; 有限元分析中圖分類號 :tm351文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :a文章編號 :1001 6848( 2010)08 0028 03calculationof airgapf lux d ensity in dualrotor radialfluxperm anentm agnetm achinescao jiang hua ,yang x iang yu, x iao ru jing(co llegeof elect

3、ricpow er ,southchina university o f t echnology, guangzhou510640 ,china )abstract:dual rotor radial flux per m anentmagnetmachines can substantially i mprove the torque densityand efficiency .this paper briefly introduced its basic structure,operation principle ,characteristics anddesign basis ,cal

4、culated the airgap flux density based on t he equivalentmagnetic circui. tin addition ,toanalyze themagnetostatic field and prove the effectivenessof t he calculated flux density w ith the fin ite elementmethod .the results sho w that them agnetic field of dual rotor radial flux per m anentmagnetmac

5、hinescan be regarded as a parallel co mb ination of t wo traditional inner and outer permanentmagnetmachinesshareda co mmon stator core and the airgap flux density values calculated by the analytic and fin ite ele mentmethodmatchwel,lwhich verifies the feasi b ility of the analysis and design .k eyw

6、 ords :dual rotor radial flux permanent magnetmachines ;calculation of airgap flux density ;m agnetostatic field ;f inite ele ment analysis0引言與單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比,采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以充分利用電機(jī)內(nèi)部空間,克服磁拉力,減小漏磁 , 大大提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和效率。qu r h 博士和l ipo ta 教授對雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理、設(shè)計、特性及相關(guān)參數(shù)的影響等進(jìn)行了初步的理論和實(shí)驗(yàn)研究 1 3;還對應(yīng)用雙轉(zhuǎn)子技術(shù)的兩種不同結(jié)構(gòu)電機(jī)-雙轉(zhuǎn)子徑向磁通永磁電機(jī)和軸向

7、磁通永磁電機(jī)進(jìn)行了各種不同條件下轉(zhuǎn)矩密度、轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比、損耗和效率等方面的性能比較 4;文獻(xiàn) 5 對雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的電感參數(shù)及永磁電勢進(jìn)行了分析計算并研究了降低該電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的方法。但這些研究都是基于采用鐵氧體永磁的基礎(chǔ)上,采用稀土永磁體可顯著減小電機(jī)體積和重量, 還能提高電機(jī)整體性能, 尤其適用于那些要求高轉(zhuǎn)矩密度、高效率及有空間限制的場合。隨著稀土永磁體價格的降低和電機(jī)性能要求的提高,雙轉(zhuǎn)子稀土永磁電機(jī)的優(yōu)勢也越來越明顯。文獻(xiàn) 6 簡單 介紹了雙轉(zhuǎn)子釹鐵硼永磁電機(jī)的等效磁路但沒有考慮漏磁且沒有對磁路進(jìn)行分析計算, 因此有待探討和研究。本文的目標(biāo)正是基于釹鐵硼永磁體進(jìn)行雙轉(zhuǎn)子徑向永磁電機(jī)( d

8、rrfpm )的研究 ,首先簡要介紹了drrfpm 的結(jié)構(gòu)及原理,給出了它的一些特性及設(shè)計依據(jù) ,然后采用等效磁路法對氣隙磁密進(jìn)行了解析計算 ,最后利用有限元分析軟件對所設(shè)計電機(jī)進(jìn)行了靜態(tài)磁場的仿真。結(jié)果表明,drrfp m 可看作由兩個傳統(tǒng)的永磁電機(jī)組合而成,氣隙磁密的解析值與有限元計算值也吻合得較好,證明了計算公式的有效性。28雙轉(zhuǎn)子徑向永磁電機(jī)氣隙磁密的分析計算曹江華 ,等1drrfpm 簡介如圖1所示 ,drrfpm 可看作一臺外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)與一臺內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)嵌套在一起并共用一個定子的新型電機(jī), 主要由外轉(zhuǎn)子鐵心、外轉(zhuǎn)子永磁體、內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心、內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體和內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間的定子組成。圖 1

9、drrfpm的結(jié)構(gòu)drrfp m 具有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),永磁體的安放可采用表面式、內(nèi)置式或混合式,繞組可采用普通或環(huán)形繞法 ,內(nèi)外永磁體磁化方向既可相同也可相反。圖中的drrfpm 的內(nèi)外轉(zhuǎn)子在端部固定在一起并同步旋轉(zhuǎn) , 轉(zhuǎn)子表面分別安裝了永久磁鐵, 而定子沿軸向方向用螺絲固定在一個垂直靜止的端蓋上,兩面均開槽。對于恒定的電氣和磁性負(fù)載來說,輸出轉(zhuǎn)矩的大小與氣隙表面積的大小成正比。drrfpm 的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使得它體積只增大了一點(diǎn)卻增加了一個氣隙 ,這是該類電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度大大提高的主要原因。其次,對于外徑大小相同的電機(jī)來說,該類電機(jī)外氣隙的直徑往往比普通永磁電機(jī)氣隙的大,在相同的表面電流和氣隙磁通密度

10、下,雙轉(zhuǎn)子電機(jī)外氣隙中的轉(zhuǎn)矩也要比普通永磁電機(jī)的大,這是轉(zhuǎn)矩密度得以提高的第二個原因。另一方面, 與傳統(tǒng)電機(jī)相比, 由于 drrfp m 可采用環(huán)形繞線方式, 定子鐵心的內(nèi)外兩面都得以利用, 提高了鐵心的利用率; 并且繞組的端部很短 ,從而降低了銅耗, 提高了效率, 還減小了體積并降低了材料費(fèi)用。進(jìn)行 drrfpm 的設(shè)計時 , 除需滿足普通永磁電機(jī)設(shè)計的要求外,還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):由于drrfp m 采用環(huán)形繞線方式,內(nèi)外層繞組的槽數(shù)和電流相等 , 因此應(yīng)注意內(nèi)外電機(jī)功率的分配;同時因每槽導(dǎo)體數(shù)相等 , 因此內(nèi)外槽有效面積和槽滿率應(yīng)近似相等。還有一點(diǎn)需要注意的是 ,采用n - n 型永磁體時

11、,內(nèi)外環(huán)形磁路共用定子鐵心,較之普通永磁電機(jī)更易達(dá)到飽和,因此在設(shè)計時應(yīng)保證足夠的定子鐵心厚度。2氣隙磁密的計算drrfpm 內(nèi)外永磁 體的磁化方向相反,形成n- n 型磁通環(huán)路,內(nèi)外永磁體驅(qū)動磁通分別穿過內(nèi)外兩個徑向氣隙、沿圓周方向穿過定子鐵心再穿過氣隙 , 然后分別沿圓周方向穿過內(nèi)外轉(zhuǎn)子鐵心,形成兩個并列的磁通環(huán)路。同時,在內(nèi)外氣隙中還存在著一些明顯的漏磁。除了 永磁體自身的漏磁外,對于表面式永磁電機(jī),氣隙中的漏磁還主要包括兩個方面 :一是相鄰永磁體之間的漏磁,一是永磁體與轉(zhuǎn)子鐵心形成的漏磁。因此可以得到drrfpm 空載時的等效磁路,如圖 2所示。ri、r0為內(nèi)、外每極永磁體產(chǎn)生的磁通;

12、i、0為內(nèi)、外氣隙的磁通;rri、 rr0、ri、r0、rs為內(nèi)、外轉(zhuǎn)子鐵心,內(nèi)、外氣隙及定子鐵心的磁阻;rmi、 rmm i、 rm ri、 rm o、 rmmo、 rm ro為對應(yīng)于永磁體自身、永磁體之間及永磁體與轉(zhuǎn)子鐵心之間的漏磁的內(nèi)、外磁阻。圖 2drrfp m 的等效磁路設(shè) drrfpm 的定、轉(zhuǎn)子表面光滑, 由開槽引起的影響用傳統(tǒng)的卡特系數(shù)來等效,并假設(shè)定轉(zhuǎn)子鐵心的導(dǎo)磁率為無限大,于是得到如圖3所示的簡化模型。圖 3drrfp m 的簡化磁路對上圖進(jìn)行求解,可得到內(nèi)、外氣隙磁通的表達(dá)式?？紤]到內(nèi)、外磁路的對稱性,以下只列出內(nèi)電機(jī)部分 :292010年第 43 卷第 8期i=ri1+

13、rirm i+2 rirmr i+4rirmm i( 1)根據(jù)文 獻(xiàn) 7 可 求得 空 載時 內(nèi) 氣隙 磁 密 平均值為 :bi=bri1+wfiwm i+rie ihpm iwm i+ wfiwm i+ 2e i( 1+ 2!i+ 4?i)( 2)其中ei= kii( 3)!i=hpm i# r iwm iln( 1+#eihpm i)( 4)?i=hp m iriwm iln( 1+#eiwfi)( 5)式中 ,i、ki為 內(nèi) 氣 隙 的 實(shí) 際 長 度、卡 特 系 數(shù);ri、br i、 hp m i、wm i、wfi為內(nèi)永磁體的相對磁導(dǎo)率、剩余磁通密度、磁化方 向長 度、沿弧寬度 和 極

14、間寬度。3有限元分析本文所設(shè)計的drrfpm 內(nèi)外槽和內(nèi)外永磁體的中心線 均對 齊,內(nèi) 外永 磁體 采用n -n 型釹 鐵硼n33sh 并具有相同的極弧系數(shù),定子繞組采用單層短距式并以環(huán)形繞制,定、轉(zhuǎn)子鐵心材料為dw540- 50 。在進(jìn)行空載靜態(tài)磁場的有限元分析時, 忽略邊緣效應(yīng)及電機(jī)外緣漏磁場,磁場由永磁體單獨(dú)建立 , 電機(jī)具體參數(shù)見表1。表 1drrfp m 主要參數(shù)額定功率/kw2 2相對磁導(dǎo)率1 064額定電壓 /v380內(nèi)永磁體外徑/mm37頻率 /h z50定子內(nèi)徑/mm37 5電機(jī)相數(shù)3定子外徑/mm75極對數(shù)2外永磁體內(nèi)徑/mm75 5定子總槽數(shù)48外轉(zhuǎn)子外徑/mm90剩磁密

15、 度 /t1 15鐵心長度/mm100由永磁體單獨(dú)建 立的drrfpm 磁場 如圖4 所示 , 可以看出 ,正如前所述,當(dāng)采用n - n 型永磁體時 ,磁力線分別穿過內(nèi)外兩個氣隙,形成兩個并列的磁通環(huán)路。從圖中還可以看出,在內(nèi)外氣隙與定子內(nèi)外齒之間分別存在著一些明顯的漏磁?？蛰d時的內(nèi)外氣隙磁密曲線及頻譜分析如圖5所示。由圖可以看出,齒槽對氣隙磁密波形產(chǎn)生了一些影響 ,使得氣隙磁密波形產(chǎn)生了畸變,并且內(nèi)、外氣隙磁密都含有少量諧波分量。根據(jù)式 ( 2)和圖5可分別求出內(nèi)、外氣隙磁密平均值的解析值與有限元計算值,如表 2所示。表 2drrfp m 氣隙磁密值對比b( t)解析值有 限元計算值誤差內(nèi)氣

16、隙0 6330 6390 94%外氣隙0 4480 4520 88%由比較結(jié)果可以得知,有限元分析所得氣隙磁密比解析值略高,這是因?yàn)樵?d有限元分析中沒有考慮端部漏磁。氣隙磁密的解析值與有限元分析結(jié)果擬合得較好 , 說明采用上述磁路分析drrfpm 是切實(shí)可行的。4結(jié)論本文利用等效磁路法對雙轉(zhuǎn)子徑向永磁電機(jī)的氣隙磁密進(jìn)行了分析計算,并利用有限元分析軟件進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,雙轉(zhuǎn)子徑向永磁電機(jī)的磁場可看作為由共用定子鐵心的兩個傳統(tǒng)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)并聯(lián)而成, 氣隙磁密的解析值與有限元計算值吻合得較好, 證明了計算公式和所設(shè)計電機(jī)的有效性 ,為該類電機(jī)的進(jìn)一步研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。需要注意的是

17、, 雙轉(zhuǎn)子徑向永磁電機(jī)的設(shè)計和優(yōu)化比傳統(tǒng)永磁電機(jī)要復(fù)雜, 其他性能如齒槽轉(zhuǎn)矩、(下轉(zhuǎn)第56頁 )302010年第 43 卷第 8期速度辨識曲線雖然振蕩和毛刺現(xiàn)象有所緩解, 但速度辨識效果不 理想 ;本文的 改 進(jìn)蟻 群算 法優(yōu) 化的bpnn所構(gòu)造的速度辨識器則能較好地跟蹤系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。因此, 本文的改進(jìn)蟻群算法優(yōu)化的bpnn具有優(yōu)良的優(yōu)化性能,由其所構(gòu)造的速度辨識器可以實(shí)現(xiàn)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。4結(jié)論本文提出了一種改進(jìn)的快速全局收斂蟻群算法優(yōu)化的 神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)模 型,由 它構(gòu) 造 的速 度辨 識器 在dtc系統(tǒng)中的應(yīng)用顯示出該網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)越性能,同時還顯示出了應(yīng)用蟻群算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這一優(yōu)

18、化策略可以有效地避免它們各自收斂速度慢,易陷入局部極小點(diǎn)的缺點(diǎn),二者結(jié)合起來形成一種具有較高性能的優(yōu)化算法模型。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:用改進(jìn)蟻群算法優(yōu)化bpnn的速度辨識器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的速度傳感器是可行的,從而為實(shí)現(xiàn)無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制提出了可參考的有效方案。參考文獻(xiàn) 1周平 .交流異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真建模 j.微特電機(jī) ,2005( 5): 35 38. 2陳伯時 ,楊耕 .無速度傳感器高性能交流調(diào)速控制的三條思路及其發(fā)展建議 j. 電氣傳動 ,2006,36( 1): 3 8 . 3呂崗 ,陳小平 ,趙鶴鳴 .一種優(yōu)化多層前向網(wǎng)絡(luò)的ia-bp混合算法 j.計算機(jī)工程與應(yīng)用,2003

19、( 7):1 8 . 4曹承志 ,董梅 ,李敏 ,等.遺傳bp網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn) 速辨識器 的設(shè)計及在 dtc中的應(yīng)用 j.系統(tǒng)仿真學(xué)報,2007,19( 4): 925 927. 5dori gom,m aniezzov,colorni a.th e ant syste m:opti m izationby a colony of cooperating agents j.ieee t ransactions on systems ,m an,and cybernetics part b ,1996 ,26( 1): 29 41 . 6盧輝斌 ,范 慶輝 ,賈 興偉 .一 種改進(jìn) 的自適 應(yīng)蟻 群算法

20、j.計算機(jī)工程與設(shè)計,2005,26( 11): 3065 3066 . 7段海濱 ,王 道波 .一種 快速 全局 優(yōu)化的 改進(jìn) 蟻群 算法 及仿真 j.信息與控制,2004( 1): 241 244 .作者簡介 :曹承志( 1949 -),男,教授 ,主要研 究方向 為智能控制與優(yōu)化技術(shù)。(上接第30頁 )過載能力和溫度對電機(jī)的影響等也都非常重要,但不包括在本文中, 將在以后再進(jìn)行深一步的研究。參考文獻(xiàn) 1qu r h,l ipo t a.dual rotor radial flux toroidally wound per m anentm agnetmachines j.ieee t r

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