【磁齿轮复合电机电磁性能分析案例2000字】

磁齿轮复合电机电磁性能分析案例目录磁齿轮复合电机电磁性能分析案例 1 1 2 3 3 7 91.1磁齿轮复合电机电磁性能分析基础Maxwell方程组是对电机进行电磁分析的理论基础，在电机设计领域具有重要地位。Maxwell方程组在有限元分析中的微分形式可表示为式中：H代表磁场强度，J表示传导电流密度，aD/at代表位移电流针对结构复杂，存在孔、洞以及条状区域、求解区域不连续的问题，需要采用Maxwell方程组的积分形式来进行求解。Maxwell方程组的积分形式具体表示为：根据设计得到的电机结构参数，在有限元分析软件中搭建电机结构仿真模型。图1.1给出了Halbach磁性齿轮复合电机的有限元模型，图1.2为电机的3D结构示意图。图1.1采用Halbach阵列的磁齿轮复合电机结构图如图1.2所示，本文所设计的Halbach阵列磁齿轮复合永磁电机结构由定子、内转子、调磁环和外转子四部分组成，其中内、外转子磁极的充磁方式均采用了Halbach阵列结构，图中不同颜色的磁极代表不同的充磁方向。有限元法能够简化复杂问题，具有很强的灵活性，已被广泛的应用在实际工程的求解中。本文采用AnsysMaxwell软件进行建模、材料分配与激励加载等操作，对各类性能进行仿真分析。分析气隙中的磁场分布情况是研究电机性能的重要前提。磁齿轮复合永磁电机具有三层气隙，在每层气隙中具有相同空间极对数且转速相同的谐波对相互耦合，形成工作转矩[971。电机内层气隙磁密波形如图1.3所示。内层气隙是定子与内转子之间的空隙，也是电机在施加激励后产生转矩之处。从图1.3可以看出，在360°圆周范围内，具有3个波峰，这是因为电机转子具有3对极的磁结构。同时可以看出，气隙磁密具有较好的正弦性，这是采用Halbach阵列充磁的结果。图1.4给出了内层气隙径向气隙磁密波形的傅里叶分解图，可以看出气隙磁密的基波幅值为0.96T,谐波分量得到了有效地抑制，存在的主要谐波为7、9次谐波。一般来说，谐波次数越大谐波的幅值也就越低，其图1.5和图1.7分别给出了中层气隙和外层气隙的径向气隙磁密曲线，图1.6和图1.8分别给出了对应的傅里叶分解图。同样可以看出采用Halbach阵列结构的磁极结构，气隙磁密的正弦性大为改观，谐波次数减少，谐波幅值降低。并且可以看出，外层的正弦型最好，这是因为外层极对数更多，磁极的极弧系数减小，Halbach阵列充磁结构的优势也更加突机械角度(°)空间极对数图1.4内层气隙径向磁密FFT分析图机械角度()图1.5中层气隙径向磁密FFT曲线空间极对数图1.6中层气隙径向磁密FFT分析图图1.7外层气隙径向磁密曲线根据电机的磁场分布以及绕组连接方式，通过有限元仿真分析，得到电机单相绕组的永磁磁链分布，如图1.9所示。由图1.9所示的磁链特性，可以得到该电机在额定转速3000rpm下的相空载反电动势，相空载反电动势幅值为30.4V。电机相空载反电动势的FFT分解图如图1.11,可以看到谐波含量非常低。由于电机的定子采用导磁性能极强的硅钢片叠压而成，其相对磁导率是空气的几千倍以上，而在定子上，定子齿和定子槽口交替排布，于是形成了气隙磁阻的变化，在电机旋转时就形成了齿槽转矩。齿槽转矩过大会导致电机运行时产生较大的转矩脉动，并且对电机的启动性能造成影响。在传统的径向充磁永磁电机中，由于永磁磁极磁化很难达到正弦分布，磁场谐波分量较多，在电机运行时谐波分量相互耦合便会产生较大的齿槽转矩。本文中磁极改进了传统的径向充磁结构，改用Halbach阵列进行充磁，这种充磁结构有效降低了气隙磁密中的谐波分量，使齿槽转矩得到降低。图1.12所示，采用Halbach阵列充磁结构后，电机齿槽转矩峰峰值仅为0.384Nm。电角度(°)如图1.13所示为内部永磁电机在额定负载运行工况下的磁密云图，电机整体磁通密度最大值在1.7T左右，对饱和程度处于一个相较为合理的水平，较低的磁密有利于电机在运行时的散热和降低损耗，同时永磁材料利用率也较高。图1.14所示，采用ia=0的控制方式，即在电机绕组中施加与电动势同相位的激励电流60A,在额定转速3000rpm时，单独对内点击进行仿真，得到的电机输出转矩为12.2Nm,转矩脉动0.6Nm(5%)。图1.14电机额定转矩曲线机械角度()图1.15额定负载下内外转子转矩波形最终输出部分，外转子的转矩为90Nm,转矩脉动2.461.3W,由于磁齿轮复合电机结构中永磁材料的用量较多，所以永磁