双转子径向永磁电机的设计与有限元分析

双转子径向永磁电机的设计与有限元分析3曹江华,　杨向宇,　肖如晶(华南理工大学,广东广州　510640) 摘　要:介绍了双转子径向永磁电机的基本结构、原理及特性,采用解析法分析了其电感参数的计算,并给出了设计依据,最后利用有限元法对所设计的电机进行了静态磁场的分析和电感计算值的验证。

结果表明,双转子径向永磁电机在磁场上可看作由共用定子铁心的两个传统内、外转子永磁电机并联而成,而电感计算则可看作串联,电感的解析值与有限元计算值吻合得较好,证明了电机分析和设计的可行性。

关键词:双转子径向永磁电机;电感计算;有限元分析中图分类号:T M302∶T M351　文献标识码:A 文章编号:167326540(2010)0120008205D esi gn and F i n ite 2Elem en t Ana lysis of D ua l 2RotorRad i a l 2Flux Per manen t M agnet M otorCAO J iang 2hua,　YAN G X iang 2yu,　X I AO R u 2jing(South China University of Technol ogy,Guangzhou 510640,China ) Abstract:Dual 2r ot or radial 2flux per manent magnet mot or can substantially i m p r ove the t orque density and effi 2ciency .Its basic structure,operati on p rinci p le and characteristics were intr oduced,calculating the inductance by an 2alytic method and giving the design basis .I n additi on,the finite 2ele ment method was used t o analyze the static mag 2netic field and the effectiveness of the calculated inductance was p r oved .The results showed that the magnetic field of dual 2r ot or radial 2flux per manent magnet machines can be regarded as a parallel combinati on of t w o traditi onal inner and outer per manent magnet mot or shared a common stat or core and the inductance was f or med in series .Moreover,the inductance values calculated by the analytic and finite 2ele ment method match well and thus verify the feasibility of the analysis and design of the machine .Key words:dua l 2rotor rad i a l 2flux per manen t magnet m otor;ca lcul a ti on of i n duct ance;f i n ite 2ele m en t a 2na lysis3广州市科技计划项目(2008Z12D421)0　引　言高转矩密度和高效率是电机最重要的两个指标,这两方面的改进一直是电机研究的重点。

与单转子结构相比,采用双转子结构可以充分利用电机内部空间,克服磁拉力,减小漏磁,大大提高电机的转矩密度和效率。

Qu R H 博士和L i po T A 教授对双转子永磁电机的结构、原理、设计、特性及相关参数的影响等进行了初步的理论和试验研究,并与传统异步电机和内转子永磁电机进行了比较,结果表明:双转子永磁电机的转矩密度几乎是同等功率(2.205k W )普通异步电机的3倍,是3.675k W 内转子稀土永磁电机的2.2倍;虽然采用的是铁氧体磁铁,但效率仍然达到了87%,仅比内转子稀土永磁电机的88%略低,但却比异步电机的82.5%高出许多[123]。

对应用双转子技术的两种不同结构电机———双转子径向磁通永磁电机和轴向磁通永磁电机进行了不同条件下的转矩密度、转矩质量之比,损耗和效率等方面的性能比较[4]。

文献[5]对双转子永磁电机的电感参数及空载电势进行了分析计算,并研究了降低该电机齿槽转矩的方法。

这些研究都基于采用铁氧体永磁的基础上,采用稀土永磁体可显著减小电机体积和重量,还能提高电机整体性能,尤其适用于要求高转矩密度、高效率及有空间限制的场合。

随着稀土永磁—8—体价格的降低和电机性能要求的提高,双转子稀土永磁电机的优势也越来越明显。

本文基于钕铁硼永磁体进行双转子径向永磁电机(DRRFP M )的设计和研究,介绍了DRRFP M 的结构及原理,讨论其特性,给出了电感参数的计算方法及设计依据,并进行了设计和静态磁场的有限元分析。

1　基本结构及原理如图1所示,DRRFP M 可看作一台外转子永磁电机与一台内转子永磁电机嵌套在一起并共用一个定子的新型电机,主要由外转子铁心、外转子永磁体、内转子铁心、内转子永磁体和内、外转子之间的定子组成。

图1　DRRFP M 结构 DRRFP M 的内、外转子在端部固定在一起并同步旋转,转子表面安装了永久磁铁,而定子沿轴向方向用螺丝固定在一个垂直静止的端盖上,两面均开槽,可采用环形绕线方式,也可采用普通电机的绕组接法,实际上,定子铁心可以不开槽。

永磁体的安放还可采用内置式或混合式,电机具有多种拓扑结构。

当内外永磁体的磁化方向相同或相反时,形成N 2S 和N 2N 两种不同形式的磁通环路。

N 2N 型永磁体对内外转子铁心形成两个并联的磁通环路;而N 2S 型永磁体形成一个串联的磁通环路。

2　特性分析2.1　转矩密度及效率提高的原因对于恒定的电气和磁性负载,输出转矩的大小与气隙表面积成正比。

DRRFP M 的独特结构使其体积只增大了一点,但却增加了一个气隙表面积,这是转矩密度大大提高的主要原因。

另外,对于外径大小相同的电机来说,该类电机外气隙的直径往往比普通永磁电机气隙的直径大,在相同的表面电流和气隙磁通密度下,双转子电机外气隙中的转矩也比普通永磁电机的转矩大,这是转矩密度得以提高的第二个原因。

另一方面,与传统电机相比,由于DRRFP M 可采用环形绕线方式,定子铁心的内外两面都得以利用,提高了铁心的利用率;并且绕组的端部很短,降低了铜耗,提高了效率,同时减小了体积,降低了材料费用。

2.2　齿槽转矩的降低降低DRRFP M 齿槽转矩的方法相对普通电机来说更具有多样性,可单独降低内、外电机的齿槽转矩,如采用定子斜槽或转子斜极、优化极弧系数、减小定子开槽宽度或采用磁性槽楔等,还可调整内、外槽口或内、外永磁体中心线的相对位置使得内、外齿槽转矩相互抵消或减小。

3　电感参数的计算电感是电机的重要参数,如前所述,由于采用了环形绕组,DRRFP M 可以看作由一台内转子永磁电机和一台外转子永磁电机串联而成,因此在计算其电感时,可分别计算内、外转子永磁电机的电感,再将其合成。

本文所介绍的DRRFP M 采用表面永磁,计算时假设电枢槽内导体的电流集中在槽中心线上,不考虑铁心饱和效应,即忽略铁心磁阻。

对于表面永磁式结构,可以认为等效气隙长度是均匀的,因此内、外气隙的等效长度δe1,δe2分别为:δe1=h P M1μr+δ1(1)δe2=h P M2μr+δ2(2)式中:h P M1,h P M2———分别为内、外永磁体磁化方向长度,mm;δ1,δ2———分别为内、外气隙实际长度,mm 。

因此内、外转子永磁电机每相电感L m1,L m2分别为[6]:L m1=2m μ0(N 1K dp1)2L ef R δ1πp 2δe1(3)L m2=2m μ0(N 2K dp2)2L ef R δ2πp 2δe2(4)式中:N 1,N 2———分别为内、外电机每相串联匝数,由于采用环形绕组,N 1=N 2;—9—K dp1,K dp2———分别为内、外电机基波绕组系数;L ef ———定子铁心有效长度,mm;R δ1,R δ2———分别为内、外气隙半径,mm;m ———相数;p ———极对数。

则DRRFP M 每相电感为:L m =2m μ0L ef N 21πp 2K 2dp1R δ1δe1+K 2dp2R δ2δe2(5) 本文所介绍的DRRFP M 内、外槽和内、外永磁体的中心线均对齐,内、外永磁转子采用N 2N 型和相同的极弧系数,定子内、外层绕组均采用单层整距式并以环形绕制,具体参数见表1。

表1　D RRFP M 主要参数参数参数值电机相数3极对数3定子总槽数36内永磁体外径/mm 30定子内径/mm 30.4定子外径/mm 64外永磁体内径/mm 64.5外转子外径/mm 75.5铁心长度/mm75.5 由表1可求得L m 为26.848mH 。

4　设计依据进行DRRFP M 的设计时,除需满足普通永磁电机设计的要求外,还应注意以下几点。

(1)由于DRRFP M 采用环形绕线方式,内、外层绕组的槽数、电流相等,因此应注意内、外电机功率的分配;同时每槽导体数均相等,内、外槽有效面积和槽满率应近似相等。

环形绕组的端部连接方式见图2,图2中只画出了6极36槽电机的A 相绕组。

(2)DRRFP M 端部绕组的长度几乎不随电机直径的增大而增大,因此通过优化电机的定子内径和长度比,可大大改进电机性能。

根据文献[2,3]可知,当电机长度与外径之比约为0.5,定子内径与电机长度之比为0.5～1.5时,转矩密度、效率、耗材和重量达到整体最优,本例中前者图2　定子A 相绕组端部连接方式为0.5,后者为0.805。

(3)极弧系数的范围为0.7778～0.8333时,转矩密度、效率、耗材和重量这四项指标才能达到综合最优[3],本例中极弧系数为0.8。

(4)由于采用N 2N 型永磁体,内、外环形磁路共用定子铁心,比普通永磁电机更易达到饱和。

因此,在设计时应保证足够的定子铁心厚度。

5　静态磁场的有限元分析5.1　前处理及运算在进行有限元分析时,作如下假设:不考虑铁磁材料的铁心损耗;忽略边缘效应及电机外缘漏磁场。