HALBACH磁体结构电动机及其与常规磁体_省略__II_无

1、2004年 6月 电 工 技 术 学 报 Vol.19 No.6 第 19卷第 6期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jun. 2004HALBACH 磁体结构电动机及其与常规磁体 结构电动机的比较研究 (II 无导磁铁心电机的对比研究及样机实验徐衍亮 1姚福安 2房建成 3(1. 山东大学电气工程学院 济南 2500612. 山东大学控制科学与工程学院 济南 2500613. 北京航空航天大学宇航学院 北京 100083摘要 在第 I 部分对比分析有铁心 HALBACH 磁体结构电动机和常规磁体结构电动机的基础 上,对比研究两种磁

2、体结构电动机的无铁心型式,其中包括定子无铁心和转子无铁心,并分别与 有铁心电动机比较,分析了磁体厚度变化对两种磁体结构磁密分布及磁通大小的影响。最后给出 样机电动机的试验结果。关键词:HALBACH 磁体 常规磁体 无铁心 永磁无刷直流电动机中图分类号:TM303Halbach Array Permanent Magnet Machine and Its Performance Comparison with the Normal Array One(II Comparison of Different Magnet Array Ironless Machine and Prototype E

3、xperiment Xu Yanliang1 Yao Fuan1 Fang Jiancheng2(1. Shandong University Jinan 250061 China2. Beihang University Beijing 100083 ChinaAbstract This paper compares the magnetic flux, air-gap field distribution of permanent magnet machines having HALBACH magnet array or normal one when they employ ironl

4、ess stator or ironless rotor. The different effect of the magnet radial dimension on the air-gap magnet field for HALBACH array permanent magnet machines and the normal array ones is analyzed. Results deduced from finite-element analyses are verified by the prototype experiment.Keywords: HALBACH mag

5、net array, normal magnet array, ironless machines, permanent magnet machines1引言有铁心永磁无刷直流电动机通过优化设计并采 用高性能材料可以获得很高的运行效率,但在储能 飞轮等应用领域,电动机转速每分钟高达几万转甚 至几十万转,空载铁耗很大,难以满足其高效率运 行要求;同时在高速应用场合,通常采用磁悬浮支 撑,有铁心电动机尽管采用无齿槽结构,仍会产生 很强的单边磁拉力,必然给磁悬浮轴承带来额外的 承载力和刚度要求 1。在高速磁悬浮支撑的驱动运行场合,采用无铁 心永磁无刷直流电动机不但可以消除铁耗,而且可 以消除单边磁拉

6、力, 极有利于系统的高效可靠运行。 电动机采用无铁心结构,与无齿槽电动机相比具有 更低的气隙磁密,更难以发挥永磁无刷直流电动机国家 863高技术航天领域资助项目 (863-2-2-4-9B。 收稿日期 2003-06-09改稿日期 2003-10-08第 19卷第 6期 徐衍亮 等 HALBACH磁体结构电动机及其与常规磁体结构电动机的比较研究(59高功率密度、高转矩密度的优势。在本文第 I 部分 中已提及, 采用 HALBACH 磁体结构并尽可能增加 磁体厚度,可以得到比常规磁体结构电动机更高的 气隙磁密, 本文对定子无铁心的 HALBACH 磁体结 构电动机和常规磁体结构电动机进行分析比较

7、。电动机的无铁心结构,不但可以是定子无导磁 铁心,也可以是转子无导磁铁心。转子无导磁铁心 对某些应用场合极为有利,如伺服电动机和外转子 储能飞轮用电动机。正如本文第 I 部分所提及, HALBACH 磁体结构电动机具有磁屏蔽作用,可以 省却转子轭部铁心,因此本文同时对无转子铁心的 HALBACH 磁体结构电动机和常规磁体结构电动机 进行分析比较。电动机的分析模型及相关标注见本连续论文的 第 I 部分。设计制作具有相同结构尺寸和绕组参数 的有导磁铁心定子、无导磁铁心定子、常规磁体结 构转子、 无导磁铁心的 HALBACH 磁体结构转子和 有导磁铁心的 HALBACH 磁体结构转子, 组成 6台

8、不同的样机, 进行对比实验, 以验证理论分析结果。2 无转子铁心、有定子铁心时两种磁体结构电动机的对比分析转子无铁心时 HALBACH 磁体结构电动机及常 规磁体结构电动机气隙磁密分布如图 1所示,表 1给出了两种磁体结构电动机不同位置处的磁通值, 表中同时给出了有转子铁心时的相关计算结果。可 以看出,对 HALBACH 磁体结构电动机,转子无铁 心与有铁心相比,气隙磁密稍有降低,但对常规磁 306090120 150气 隙 磁 密 B n / T角度 / (° 180图 1 有、无转子铁心时电动机气隙磁密分布1. 有转子铁心 HALBACH 磁体结构 2. 无转子铁心 HALBAC

9、H 磁体结构3. 有转子铁心常规磁体结构 4. 无转子铁心常规磁体结构Fig.1 Air-gap field distribution when the motor with orwithout rotor core体结构电动机,与转子有铁心相比,转子无铁心气 隙磁密降低很大。因此对无转子铁心电动机,应该 采用 HALBACH 磁体结构, 以保证电动机的气隙磁 密。表 1 有无转子铁心时电动机不同位置处的磁通 Tab.1 Magnetic flux at different location when the motorwith or without rotor core (×10-

10、5 Wb/mm电动机结构磁体内径处磁体外径处 气隙处有转子铁心 0. 2988 0. 993 0. 8528 HALBACH 磁体 无转子铁心 0. 141 0. 928 0. 7955 有转子铁心 1.082 1.195 0. 9457 常规 磁体无转子铁心0.490.9270.7113有转子铁心、无定子铁心时两种磁体结构电动机的对比分析尽管无定子铁心,但考虑到实际情况及电磁兼 容,在无导磁铁心的外面有一用于磁屏蔽的机壳。 因此在分析时,如有定子铁心,有效气隙与永磁体 厚度之比 h air /h pm =1,无定子铁心时, (h air +h syoke /h pm =2.78(h syok

11、e 为定子不导磁轭厚 。图 2为不同磁 体结构有无定子导磁铁心时气隙磁密分布图,表 2为不同磁体结构电动机有、无定子铁心时气隙磁通 及其变化关系。可以看出,有、无定子铁心,两种 磁体结构几乎具有相同的气隙磁通变化。图 3为 HALBACH 磁体结构电动机机壳内径变化对绕组气 隙磁密和磁通及对机壳内径处磁通的影响,常规磁 体结构电动机机壳内径变化对绕组气隙磁密、磁通 及机壳内径处磁通的影响与 HALBACH 磁体结构电0 30 6090 120 150 1800.10.20.30.40.50.6气 隙 磁 密 B n / T角度 / (°图 2 有无定子铁心时电动机气隙磁密分布1. 有

12、定子铁心 HALBACH 磁体结构 2. 无定子铁心 HALBACH 磁体结构 3. 有定子铁心常规磁体结构 4. 无定子铁心常规磁体结构Fig.2 Air-gap field distribution when the motor with orwithout stator core60电 工 技 术 学 报2004年 6月动机相似。可以看出,在(h air +h syoke /h pm =6时, 机壳内径处磁密已很小,可以忽略不计,机壳内径 变化对气隙磁密的影响更可忽略不计。表 2 有、无定子铁心时电动机气隙磁通的变化 Tab.2 Magnetic flux at different lo

13、cation when the motorwith or without stator core有定子铁心/(×10-5Wb/mm无定子铁心 /(×10-5Wb/mm磁通 变化率 (%HALBACH 磁体电动机 0.8528 0.568 33.4 常规磁体电动机0.9460.62933.5 3060 90 120 150 180角度 /(°气 隙 磁 密 B n / T(a对气隙磁密分布的影响 0 2 4 6 8 10 12246810磁 通 / (×10-6W b m m -1(h air +h syoke /h pm(b 对气隙磁通及机壳内径处磁通的

14、影响图 3 HALBACH磁体结构电动机机壳内径变化对磁密及磁通的影响1. (h air +h syoke /h pm =1 2. (h air +h syoke /h pm =2.78 3. (h air +h syoke /h pm =5.89 4. (h air +h syoke /h pm =95. (h air +h syoke /h pm =12.11Fig.3 Variation of air-gap magneticflux and flux density4 无定子铁心电动机磁体厚度变化对气 隙磁密的影响图 4、图 5为不同磁体结构电动机定子无铁心 时永磁体厚度对气隙磁密分布

15、及磁通的影响,在分 析时假定机壳内径足够大,因此机壳的导磁性不会 对气隙磁密有影响。可以看出,同有定子铁心电动 机磁体厚度变化所导致的气隙磁通、磁密的变化规 律相似,在磁体厚度较小时, HALBACH 磁体结构 所提供的气隙磁密和磁通较小,但随磁体厚度的增 加, HALBACH 磁体结构电动机的气隙磁密、磁通 增加量要大于常规磁体结构电动机磁密和磁通的增 加量,当磁体厚度增加到一定值时, HALBACH 磁 体结构电动机的气隙磁密和磁通要高于常规磁体结 构 , 因 此 对 无 定 子 铁 心 电 动 机 来 说 , 应 采 用HALBACH 磁体结构,并尽可能增加磁体厚度,以 保证气隙磁密值。

16、306090120 1501800.10.20.30.40.5气 隙 磁 密 B n / T角度 / (°(a HALBACH 磁体结构电动机3060 90120150 1800.10.20.30.40.5气 隙 磁 密 B n / T 角度 / (°(b 常规磁体结构电动机图 4 磁体厚度变化时电动机气隙磁密分布的变化1. h pm =3mm 2. h pm =5mm 3. h pm =7mm4. h pm =9mm 5. h pm =11mmFig.4 Variation of air-gap field distribution with thevariation o

17、f magnet radial dimension第 19卷第 6期 徐衍亮 等 HALBACH磁体结构电动机及其与常规磁体结构电动机的比较研究(61 246 8 10 12磁体厚度 h pm /mm气 隙 磁 通 (×10-6W b m m -1图 5 电动机气隙磁通随磁体厚度的变化 Fig.5 Variation of air-gap magnetic flux with thevariation of magnet radial dimension5 实验验证 样机电动机以现有的 15N m s 、 30000r/min姿 控储能飞轮用无刷直流电动机样机为基础,该电动 机极数为

18、 6,采用常规转子磁体结构、无齿槽、有 定转子铁心(1J50材料, 0.1mm 片厚 ,样机电动 机的结构尺寸如表 3所示,其中定子铁心外有导磁 的机壳。制作相同结构尺寸、相同绕组参数的无导 磁铁心定子 (胶木定子轭 , 制作两个与原转子具有 相同结构尺寸、采用 HALBACH 磁体结构(每极 3块磁体的转子,其中之一采用导磁转子铁心,其 中之二采用不导磁铁心 (铝材 , 图 6为部分定转子 实物图,这样可以组成6台不同的样机。表 3样机电动机部分结构尺寸 Tab.3 Specification of the prototype motor定子铁心外径 R so /mm 定子铁心内径 R si

19、 /mm 永磁体外径 R pmo /mm 永磁体内径 R pmi /mm34 26 21.5 175.1 气隙磁密波形比较对集中式绕组电动机来说,相电势波形反映了 气隙磁密波形,相电势的幅值反映了气隙磁通的幅 值。图 7为不同定子、转子所组成的样机电动机在 相同转速下的相电势波形图 (多示波器图形组合在 一起 。可以看出,同前述的理论分析相吻合,即(1 HALBACH磁体结构电动机的相电势波 形的正弦性远优于常规磁体结构电动机。(2对 HALBACH 磁体结构电动机,转子有 无铁心对气隙磁密磁通影响不大,无转子导磁铁心 时电动机的气隙磁通略小于有转子导磁铁心。(3无论是 HALBACH 磁体结

20、构电动机还是(a 无导磁铁心定子(b 无导磁铁心 HALBACH 磁体结构转子图 6 样机电动机的部分定转子 Fig.6 Stator and rotor of the prototype motor常规磁体结构电动机,定子有铁心时的电动机气隙 磁通远大于无定子铁心时电动机的磁通,与分析计 算有出入,这是电动机端部漏磁所致,与定子有铁 心相比,当定子无铁心时电动机具有更大的端部漏 磁。(4对常规磁体结构电动机,定子有铁心时, 具有比定子无铁心时更好的波形正弦性,这完全由 于气隙磁密不同所引起,等同于图 2所给出的计算 结果(见曲线 3、 4 。 5.2 电动机试验图 8为 HALBACH 磁体

21、结构有转子铁心样机电 动机运行时空载转速与母线电流之间的关系,其他 样机电动机具有相似的特性。其中一个突出的现象 是,相同母线电流时,有定子铁心样机电动机的空 载转速远高于无定子铁心样机,这不但由于有定子 铁心时的电动机气隙磁密高于无定子铁心时,从而 使前者具有更大的驱动力矩,还由于无定子铁心时62电 工 技 术 学 报2004年 6月导磁导电且为整体钢的定子机壳产生很大的涡流, 对电动机运行形成很大的阻力。实际上在进行空载 发电动机实验时,相同输入功率的原动机拖动有定 子铁心样机和无定子铁心样机,前者转速远高于后 者。 (a无定子铁心电动机 (b有定子铁心电动机图 7 样机电动机的相电势波形

22、图1. HALBACH磁体有转子铁心 2. HALBACH磁体无转子铁心3. 常规磁体有转子铁心Fig.7 Waveforms of phase EMF for prototyped motors 0 0.51 1.52 2.5转 速 n / (104×r m i n -1直流母线电流 I d /A图 8 样机电动机空载转速与直流母线电流之间的关系 Fig.8 Relationship between no-load speed and DC current6 结论本文在第 I 部分有铁心 HALBACH 磁体结构电 动机和常规磁体结构电机对比分析的基础上,分析 了两种磁体结构无导磁

23、铁心时的情况,并与有铁心 情况进行了对比, 进行了试验验证, 主要结论如下:(1 不论有无导磁铁心, HALBACH 磁体结构 电动机的气隙磁密波形的正弦性远优于常规磁体结 构电动机。(2转子有、无导磁铁心, HALBACH 磁体结 构电动机的气隙磁密、磁通相差不大,但对常规磁 体结构电动机,如无转子导磁铁心,与有转子导磁 铁心相比,气隙磁密、磁通降低很多,因此如采用 无转子导磁铁心,应采用 HALBACH 磁体结构。(3无论 HALBACH 磁体结构电动机还是常 规磁体结构电动机,定子有无铁心导致相同的气隙 磁密、磁通变化。如电动机定子无导磁铁心,为避 免永磁磁场对周围铁磁物质的电磁干扰及由此引起 的涡流损耗,实际有效气隙应为永