Halbach磁體結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)設(shè)計(jì)分析_圖文

1、中圖分類號(hào):TM351文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):100126848(20060720035203Halbach 磁體結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)設(shè)計(jì)分析孫秋霞1,王法慶2(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,哈爾濱150001;2.山東大學(xué),濟(jì)南250061摘要:介紹了halbach 磁體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),給出了基于halbach 磁體結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的基本模型。通過有限元分析,比較了halbach 磁體結(jié)構(gòu)與普通磁體結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī),驗(yàn)證了halbach 磁體結(jié)構(gòu)外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)優(yōu)越性,并提出其作為直接耦合風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可能性。關(guān)鍵詞:Halbach 磁體結(jié)構(gòu);外轉(zhuǎn)子;永磁電機(jī);有限元分析;風(fēng)力發(fā)電機(jī);設(shè)

2、計(jì)Analysis of a H albach Array permanent Motor with External R otorSUN Qiu 2xia 1,WAN G Fa 2qing 2(1.Depart ment of Elect rical Engineering ,Harbia Instit ute of Technology ,Harbin 150001,China ; 2.Shandong U niversity ,Jinan 250061,China ABSTRACT :In t his paper ,a number of att ractive feat ures of

3、 halbach array is p resented first ,and t hen t he basic model of a halbach array permanent motor wit h external rotor is given.Through t he finite element analysis ,halbach array permanent magnet machine is st udied com 2pared wit h t he normal array one ,validate t he advantage of t he halbach arr

4、ay permanent motor wit h external rotor.Finally ,bring forward t he po ssibility using for Direct coupled permanent magnet wind power generators .KE Y WOR DS :Halbach array ;External rotor ;Permanent motor ;Finite element analysis ;Wind power generation ;Design收稿日期:20062032200引言隨著永磁電機(jī)向高效、高速、高功率密度、微型

5、化方向的發(fā)展,傳統(tǒng)稀土永磁電機(jī)也表現(xiàn)出一定的局限性。如高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),轉(zhuǎn)子渦流損耗較大,效率不能保持較高水平;氣隙磁密難以滿足;脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)較大等。一種新型磁體結(jié)構(gòu)-halbach 磁體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生,其應(yīng)用于永磁電機(jī)中具有很大優(yōu)越性1:(1氣隙磁場(chǎng)分布為正弦波,不再需要采取分布定子繞組或定、轉(zhuǎn)子斜槽等措施來獲得正弦波。(2很好的磁屏蔽作用,可減小轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁軛厚度,甚至可以省去轉(zhuǎn)子鐵心。(3功率密度大,可減小電機(jī)體積,提高電機(jī)功率密度。Halbach 磁體結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)有內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)2。內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)研究比較多,本文主要對(duì)外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)進(jìn)行分析。1Halbach 磁體結(jié)構(gòu)外轉(zhuǎn)子電機(jī)模型以1臺(tái)8極

6、外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)為例進(jìn)行分析。其電機(jī)模型如圖1 。圖1Halbach 結(jié)構(gòu)外轉(zhuǎn)子電機(jī)模型一般情況下,Halbach 磁體的磁化方法有兩種:(1由預(yù)磁化的各向異性磁塊制成磁環(huán),每個(gè)磁塊具有Halbach 場(chǎng)分布的磁化方向;(2將粘結(jié)的各方向同性磁體模塑成磁環(huán),隨后利用充磁裝置在正弦分布磁場(chǎng)下進(jìn)行脈沖充磁。本文采用第一種53Halbach 磁體結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)設(shè)計(jì)分析孫秋霞王法慶磁化方向的磁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。圖1所示的Halbach 磁體結(jié)構(gòu),如果第1塊磁體(x 軸正方向的充磁方向如圖中所示,其矯頑力分量為:H x (1=H c ,H y (1=0,則其他磁體的矯頑力分量可用下式表示3。H x (

7、i =H c co s (1+p 360(i -12p n H y (i =H c sin (1+p 360(i -12p n(1式中,H c 為磁體矯頑力;p 為電機(jī)極對(duì)數(shù),n 為每極磁體塊數(shù)。2有限元分析有限元法是將偏微分方程看作某一泛函的歐拉方程,然后求取偏微分方程對(duì)應(yīng)的泛函并構(gòu)成條件變分問題,最后直接求解條件變分問題。為了計(jì)算方便,假設(shè):1磁體按照halbach 結(jié)構(gòu)充磁并在規(guī)定方向上完全充磁。2忽略端部效應(yīng),轉(zhuǎn)子永磁體認(rèn)為是無限長(zhǎng)圓筒。3定子鐵心認(rèn)為無限滲透。選取整個(gè)電機(jī)為求解區(qū)域,在考慮磁飽和、忽略高次諧波、引入有效磁阻率的情況下,電機(jī)正弦時(shí)變場(chǎng)的微分方程為:99x V e 9 A

8、 z 9x +99y V e 9 A z9y =js A z - J zA z |s =s 1+s 2=0(2式中,A z 為向量磁位的Z 方向分量;為電導(dǎo)率;V e 是鐵心有效磁阻率; J z 是不計(jì)渦流時(shí)的外加電流密度。對(duì)應(yīng)于式(2所述非線性邊值問題等價(jià)為條件變分問題,經(jīng)過空間和時(shí)間離散化處理后,得出了一組非線性代數(shù)方程有限元方程,于是該非線性的連續(xù)場(chǎng)問題最終被歸結(jié)為有限元方程的求解問題。對(duì)于Halbach 磁體結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī),其磁場(chǎng)分布M _為正弦分布,在極坐標(biāo)下,其方程為3:M _+M r e _r +M e _=M co s p e _r +M sin p e _(3式中,M

9、_=B r /0,e _r 、e _為徑向和周向單位矢量。Halbach 磁體結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)氣隙磁場(chǎng)區(qū)域可由標(biāo)量磁勢(shì)得到。其標(biāo)量磁勢(shì)方程為: 2=929r 2+19r 9r +1r 29292=0(4為計(jì)算方便,假設(shè)r =1,則氣隙磁場(chǎng)分布為:B r +B rem p (1-p R (1-p 0-R (1-p i r(p -1+R 2ps r(-p -1co s (pB +B rem p (1-p R (1-p 0-R (1-p i -r (p -1+R 2ps r(-p -1sin (p(5在上述理論基礎(chǔ)上,本文對(duì)Halbach 磁體結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行有限元分析的同時(shí),對(duì)常規(guī)磁體外轉(zhuǎn)

10、子模型也進(jìn)行了分析。通過二者的對(duì)比,更加明顯地看出halbach 磁體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。下面是通過磁場(chǎng)分析得到的磁力線分布圖及其一個(gè)極下的徑 向磁通密度。為了更清楚地看出其磁力線區(qū)別,圖3和圖4分別給出了普通磁極結(jié)構(gòu)和Halbach 磁體結(jié)構(gòu)一對(duì)極下的磁力線分布。由圖3和圖4比較可以清楚的看出Halbach 磁體結(jié)構(gòu)有很好的磁屏蔽作用,這樣可以大大減小轉(zhuǎn)子軛部鐵心的厚度,特別適合于外轉(zhuǎn)子電機(jī)。由圖5和圖6可以看出Halbach 氣隙磁密近似于正弦波,而普通磁鐵結(jié)構(gòu)卻近似于方波。這就決定Halbach 磁體結(jié)構(gòu)的電機(jī)比普通磁鐵結(jié)構(gòu)更適合作為發(fā)電機(jī)。圖4Halbach 磁體結(jié)構(gòu)磁力線分布圖3Halbac

11、h 磁體結(jié)構(gòu)外轉(zhuǎn)子電機(jī)設(shè)計(jì)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算的重點(diǎn)是空載氣隙磁密和磁63微電機(jī)2006年第39卷第7期(總第154期 圖5 普通磁體徑向磁密圖圖6Halbach 磁體徑向磁密圖通。對(duì)常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)電機(jī),如果已知磁體的面積、氣隙大小、磁體厚度,就可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行永磁磁密和磁通的計(jì)算,從而進(jìn)行電機(jī)其它參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算。而對(duì)于halbach 磁體結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子電機(jī),沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可查,因此其電磁設(shè)計(jì)應(yīng)是場(chǎng)路結(jié)合的設(shè)計(jì),即用電磁場(chǎng)方法計(jì)算氣隙磁密和磁通,用路的方法進(jìn)行電機(jī)的其它設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)思路如圖7 。圖7Halbach 磁體結(jié)構(gòu)電機(jī)設(shè)計(jì)流程4在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用前景Halbach 外轉(zhuǎn)子電機(jī)目前漸漸成為國(guó)外研

12、究的熱點(diǎn),而在國(guó)內(nèi)的研究應(yīng)用卻很少。目前國(guó)外已經(jīng)在自供電低慣量合成軋輥和儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)的高速電動(dòng)/發(fā)電機(jī)中開始研究應(yīng)用,但還未涉及風(fēng)力發(fā)電方面的研究。由于Halbach 磁體能夠在氣隙中產(chǎn)生正弦波,而且減小轉(zhuǎn)子磁軛厚度,有較高的功率密度,其在外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)上有比普通磁體結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)更多的優(yōu)越性,尤其適合于直接耦合的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。其具體優(yōu)勢(shì)有如下幾方面4:(1作為風(fēng)力發(fā)電機(jī),由于其轉(zhuǎn)速要求都比較低,這就要求增加電機(jī)的極對(duì)數(shù)來滿足,外轉(zhuǎn)子電機(jī)由于永磁體在外轉(zhuǎn)子上,比內(nèi)轉(zhuǎn)子更容易增加極對(duì)數(shù)。(2作為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),旋轉(zhuǎn)的圓筒形轉(zhuǎn)子發(fā)揮了很多作用:支撐永磁體;為主磁通提供磁路;方便風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的直接耦合;

13、外轉(zhuǎn)子圓筒可以作為保護(hù)蓋子,來減小環(huán)境危害對(duì)電機(jī)的損害。(3磁體結(jié)構(gòu)氣隙磁場(chǎng)分布更接近于正弦波,適合做發(fā)電機(jī)運(yùn)行。(4磁體結(jié)構(gòu)的自屏蔽作用,既減小了鐵耗,又減小了電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵軛的厚度,從而減小了轉(zhuǎn)子重量。(5該磁體結(jié)構(gòu)電機(jī)氣隙磁密比一般永磁電機(jī)增大40%,可有效提高電機(jī)的功率密度。5結(jié)論本文建立了Halbach 磁體結(jié)構(gòu)外轉(zhuǎn)子電機(jī)模型;通過對(duì)Halbach 磁體結(jié)構(gòu)和普通磁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,驗(yàn)證了Halbach 磁體結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì);同時(shí)給出了Halbach 磁體結(jié)構(gòu)外轉(zhuǎn)子電機(jī)的設(shè)計(jì)思路;最后分析了Halbach 磁體結(jié)構(gòu)外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)應(yīng)用于直接耦合的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的潛在優(yōu)越性。參考文獻(xiàn):1Zhu ,Z.Q

14、.Howe ,D.Halbach permanent magnet machines andapplications a review J .Electric Power Applications ,IEE Pro 2ceeddings 2Volume 148,Issue 4,J uly 2001.2Atallah ,K.;Howe ,D.Mellor ,P.H.Design and analysisof multi 2pole Halbach (self 2shielding cylinder brushless per 2manent magnet machinesJ .Electrica

15、l Machines and Drives ,1997Eight h International Conference on (Conf.Publ.No.444123Sept.1997.3Spooner , E.Williamson ,A. C.Direct coupled ,permanentmagnet generators for wind turbine applications J .Electric Power Applications ,IEE Proceedings 2Volume 143,Issue 1,J an.1996.4Chen ,J.Nayar ,C.V.Xu ,L.Design and finite 2element a 2nalysis of an outer 2rotor per