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：永磁無刷電機內嵌到同心式磁性齒輪中，形成新型永磁復合電機。電機為內定子外轉子結構，外轉子輸出低速大轉矩，適合直接驅動。采用數值解析結合法計算復合電機磁場，電機三層氣隙區域無網格剖分，內外轉子可自由轉動，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；轉子轉動；數值解析結合法

    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

    直接驅動可避免機械變速機構引起的摩擦、振動、噪聲等許多弊端，因此越來越受到工業發達國家的重視[1]。直接電驅動的關鍵是電機能否達到低速大轉矩的要求。自控式永磁同步電機采用分數槽多極結構，可實現低速大轉矩直接驅動。如電動車輛輪轂式直接驅動永磁無刷電機[2]；電梯直接驅動永磁外轉子同步曳引機[3]；串聯磁路結構雙定子混合式直接驅動電機[4]；橫向磁通永磁電機是典型的高轉矩密度電機[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低、定位轉矩大的問題。

    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，結構如圖1所示。這種磁性齒輪克服了以往永磁齒輪轉矩密度低及磁鋼利用率差的缺點，轉矩傳遞效率可達96％，轉矩密度可達100 kN·m／m3[10]。新型磁性齒輪的研究為高轉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，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。磁性齒輪的少極內轉子與內部永磁電機的多極外轉子合為一體，磁性齒

輪的低速外轉子與輸出軸相聯結，永磁電機的內定子與磋性齒輪的調磁部分為定子，從而獲得一種結構緊湊、轉矩密度高，可用于低轉速、大轉矩直接驅動的永磁電機。由于舍棄了機械傳動齒輪，從而提高系統的傳動效率，減小體積，降低維護成本和噪聲。復合電機結構復雜，內部有三層氣隙，增加了電機磁場分析和計算的難度。本文采用數值解析結合法計算復合永磁電機的磁場。數值解析結合法的特點是氣隙區域內無網格，內外轉子能以不同步長、不同轉向自由轉動，在多氣隙電機的磁場計算中，這一長處得到了充分發揮，為感應電動勢、電磁轉矩以及電機性能精確計算創造了條件。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教授根據磁場調制原理提出的一種新型磁性齒輪。磁場調制式磁性齒輪主要有三部分構成，如圖1所示。兩個旋轉部件分別是少極內轉子和多極外轉子，兩者中間為導磁與非導磁材料相間構成的調磁鐵塊，起到調制內外轉子磁場的作用。

  新型磁性齒輪的巧妙之處是利用調磁鐵塊引起主磁路磁阻的變化，使兩邊永磁體磁場經調制后產生與對面轉子永磁體具有相同極對數的諧波磁場，

    從上式可以得出，調制后的氣隙徑向磁密，其空間諧波的極對數如下：

而且可以得出磁密空間諧波的旋轉角速度為：

    由上式可知，由于引入了調磁齒極，即k≠0，氣隙磁密空問諧波的旋轉角速度已不同于永磁體所在轉子的旋轉角速度。因此，要使內、外轉子轉速不同，k必須為非零值。于是，另一個永磁體轉子的極對數就必須等于k≠O時的一個空間諧波的極對數。因為m=1，k=一1的組合，可以