徑向-軸向復合氣隙外轉子永磁電動機的新型磁路研究

付香梅,劉詩博,徐立凡,徐浩博,鄒政耀

(金陵科技學院機電工程學院,江蘇 南京 211169)

隨著高剩磁、高矯頑力稀土永磁體的發展[1],具有結構緊湊等優點的永磁電動機高速發展,結構多樣的永磁電動機也被大量研究[2-3]。永磁體替代勵磁電流產生磁場,但永磁體導磁特性與鐵心導磁特性存在差異,永磁體磁導率低導致電動機功率密度下降。為提高電機功率密度,近年來有較多新磁路結構的永磁電動機被提出和研究[4],其中外轉子永磁電動機在同等條件下轉動慣量大、輸出扭矩大,因而在攪拌、煤礦采掘等設備中有較多應用[5]。與內轉子電動機相比較,其氣隙直徑更大,在相同的體積和電參數條件下,飛輪濾波效果更加顯著,且安裝于汽車車輪內具有更好的機械傳動優勢[6-7]。通過優化其磁路結構,能提高外轉子永磁電動機功率密度,實現對外轉子永磁電動機的優化[8-9]。對電動機的優化可以從永磁體安裝位置、鐵心磁路結構及形狀等多方面進行,針對永磁體磁導率的優化研究也有涉及,有資料指出,永磁電動機中的永磁體可等同為“視在氣隙”[10],即永磁體的導磁性能接近于空氣,某一永磁體可視為鄰近永磁體磁路中的大氣隙。為提高外轉子永磁電動機的磁路效率,基于永磁體磁導率低的特點,結合磁路結構和磁學理論[11],本文對外轉子永磁電動機提出了分塊獨立磁路的設計方案[12],并對其進行了分析和仿真研究。

1 改進電動機涉及的磁學理論

牛津大學科研人員開發的YASA電動機改變了定子鐵心的機械結構(圖1),實現了功率密度和扭矩密度的大幅提高[13]。關于提高軸向磁通永磁電動機氣隙處磁通密度的研究較多,相應的算法也被研究[14-15]。借鑒其思路,為提高外轉子永磁電動機的功率密度,本文通過改變永磁磁路的結構,提高電動機轉子與定子之間氣隙處的磁通量密度,討論相關的磁學理論,探討改進的可行性。

圖1 YASA盤式電動機定子鐵心的機械結構

1.1 基于磁路歐姆定律對磁路的改進

外轉子永磁電動機的磁路分為電磁場磁路和永磁場磁路,由于永磁體本身磁導率接近于空氣,導磁能力低,本文將重點研究永磁磁路。磁動勢F由永磁體提供,數值上等于磁路內的磁通量Φ乘以磁阻Rm,此為磁路的歐姆定律?？紤]材料導磁特性,磁動勢的表達式為:

(1)

式中:F——磁路的磁動勢,單位為A;H——磁場強度,單位為A·m-1;B——磁感應強度,單位為T;Φ——磁通量,單位為Wb;Rm——磁阻,單位為A·Wb-1;l——磁路長度,單位為m;A——磁路截面面積,單位為m2;μ——磁導率,單位為H·m-1。

永磁材料的相對磁導率為1.02～1.05,接近于空氣,在磁路中的磁阻較大。無取向硅鋼片的相對磁導率一般為7 000以上,導磁性能好。在設計本電動機永磁磁路時,研究重點是避免現有永磁電動機相鄰永磁體成為對方磁路中的大磁阻,在磁路具有相同磁動勢時能獲得更高的磁通量,在氣隙面積相同時能獲得更高的磁通量密度,進而獲得更高的扭矩密度和功率密度。本研究的重點是考慮如何降低永磁體磁路磁阻,依據磁通連續性定律,主要問題是避免相鄰永磁體互為對方磁路的大磁阻。

1.2 磁路的基爾霍夫定律

由磁通連續性定律可知,穿出(或進入)任意閉合曲面的磁通量總和恒等于0,數學表達式為:

(2)

由于磁力線具有封閉特性,與電路中的電流有較大區別,即磁力線從某一磁體N極出來,必定回到該磁體的S極,磁力線中間不會斷開,磁力線之間也不會相互交叉。對于帶有并聯分支的磁路,如果令穿出閉合面A的磁通為正,進入閉合面的磁通為負,根據式(2)知,各個磁支路的磁通量和為0,此為磁路的基爾霍夫第一定律;作用在任何閉合磁路上的總磁動勢恒等于各段磁路中磁位降的代數和,此為基爾霍夫第二定律。外轉子永磁電動機的外轉子有多塊永磁體,在轉子和定子中形成多個相互獨立的磁路,在各處的磁場均為各塊永磁體磁場的疊加磁場。多塊永磁體疊加磁場的效果將被詳細研究,從中得到更具優勢的磁路結構方案。永磁體釋放磁場雖然有疊加,但單個永磁體磁路也遵循磁路的基爾霍夫定律,這是現有永磁電動機相鄰永磁體互相干涉的理論依據。

1.3 永磁磁路工作點的確定

用ΦM和FM表示永磁體的退磁曲線,該曲線和永磁體本身材質特性相關:

ΦM=f(FM)

(3)

氣隙磁阻線Φ=f(Ωδ)為一直線,該直線與橫坐標的夾角α為:

(4)

式中RMδ為永磁磁路中氣隙處的磁阻。氣隙磁阻線與退磁曲線的交點即為永磁磁路的工作點。當外轉子永磁電動機的轉子相對于定子轉動時,氣隙磁阻RMδ發生改變,工作點以及永磁體內的ΦM和FM將隨之改變。同樣外轉子中的每塊永磁體對外磁路所提供的磁動勢FM也不固定,而是隨外磁路磁阻的變化而發生變化。取外轉子中一塊永磁體作為研究對象,其他永磁體對于該永磁體相當于施加了一個變化的磁場Ha,該狀況下所有變化的工作點形成了回復磁導率線,如圖2所示。由于臨近永磁體為該永磁體磁路中的大磁阻,工作點必然沿退磁曲線向橫坐標移動,變化磁場Ha為退磁場,使得回復磁導率線向左下移動,增加了退磁風險,降低了永磁體的最大磁能積?，F有永磁電動機由于相鄰永磁體互為對方磁路中的大磁阻,惡化了永磁體工作點,具有改進的可能性。

圖2 工作點和惡化的回復磁導率線

2 現有永磁電機的磁路分析

永磁體為磁的不良導體,類似于干電池,內阻較大。永磁電機常見結構如圖3所示,轉子表面的永磁體磁極交替變化,磁場是非散場,磁力線封閉但不交叉。由圖3(a)可見1號永磁體面對氣隙為S極,1、11、12號鐵心磁極處的磁力線方向為徑向向內。2～10號鐵心磁極處的磁力線方向為徑向向外。該結構有漏磁存在,由于空氣的磁導率很小,鐵心的磁導率很大,因此磁通量主要分布于鐵心。雖然7號鐵心通過的磁通量少,但也遠大于漏磁。由圖3(b)可以看出,2號永磁體面對氣隙為N極,在10、11號鐵心磁極處磁力線的方向為徑向向外,在1～9號和12號鐵心磁極處磁力線的方向為徑向向內。相鄰的1號和2號永磁體,在10、12和1號鐵心處磁場因同向而增強疊加,11、2～9號鐵心處因磁場反向而減弱疊加,可見永磁體釋放出的磁通量顯然未被完全利用。由于定子鐵心磁極的截面尺寸變化較大,通過的磁通量受到較大限制,為了防止磁飽和引起鐵心鐵損異常增加,轉子中永磁體厚度一般較小。該結構中最突出的問題是臨近永磁體互相干涉,兩者互為對方磁路中的大磁阻,造成氣隙處磁通量密度降低,永磁體工作點被惡化,永磁電動機使用壽命降低且功率密度減小。

為更清晰地理解現有永磁電動機的缺陷,以某表貼式永磁體電動機為對象,仿真分析磁場情況。對照實驗方案分3組:1)完整的永磁電動機氣隙,目的是觀察所有永磁體相互疊加的磁場分布狀況;2)保留一塊永磁體,其余永磁體設為空氣,目的是將臨近永磁體等同為空氣,同時不進行磁化,觀察單個被研究永磁體釋放磁場的分布狀況;3)保留一塊永磁體,其余永磁體材料設定為鐵心,觀察沒有臨近永磁體釋放疊加磁場時的分布狀況。3種仿真結果如圖4—圖6所示。

圖4 完整永磁體電機及其局部磁通量密度云圖

圖5 保留一塊永磁體、其他永磁體位置為空氣的電機及其局部磁通量密度云圖

圖6 保留一塊永磁體、其他永磁體位置為鐵心的電機及其局部磁通量密度云圖

3種方案氣隙處磁通密度分別為0.710 4～0.913 4 T、0.896～0.985 T和1.17～1.26 T。分析可知,永磁體為磁的不良導體,與相同形狀體積的空氣磁阻相近。第1組與第3組對比可知,相鄰永磁體互為對方大磁阻?？梢娕R近并列布置的永磁體,相互干擾降低了氣隙處磁通量密度,通過改變磁路結構有提高氣隙處磁通量密度的可能性。

3 新型復合氣隙外轉子電機結構設計及磁路分析

基于上述永磁電動機的磁路分析,可知改變磁路結構可提高其功率密度。本文對外轉子永磁電動機的結構進行了創新,各部分的硅鋼片形狀如圖7(a)所示。新結構每個單永磁體磁路各自獨立,具有2個徑向氣隙和1個軸向氣隙,見圖7(b),形成柱式電動機周向成環的磁路及盤式電動機軸向成環的磁路。圓柱式電動機氣隙為徑向,轉子內部的空間大部分沒有被有效利用。盤式電動機軸向尺寸小,沿半徑方向的空間利用率高,因而盤式永磁電動機的功率密度遠高于柱式電動機,通常為后者的3倍以上。盤式電動機制造工藝難度大,永磁體固定及鐵心制造難度大,且線圈繞制復雜。新結構兼具盤式電動機和圓柱式電動機的優點,提高了功率密度且規避了盤式電動機的工藝難度。

(a)零件的形狀和位置關系

(b)中心和右側永磁磁路示意圖

3.1 永磁電動機磁場的仿真

仿真工具采用Magnet磁場專用仿真軟件,該軟件能進行電氣設備的電磁場特性分析,包括動、靜態磁場二維和三維磁場分析。如圖8所示建立仿真模型,選取無取向硅鋼片,永磁體牌號為N35。鐵心采用Magnet自帶材料M-19 26 Ga。

圖8 第一代模型的3D網格模型

3.2 氣隙處磁極的仿真

首先對新電機定子轉子的磁極進行仿真,理論上驗證電動機改進的可行性。在同一位置上分別對轉子和定子進行仿真,對轉子仿真時略去線圈電流產生的磁場。設永磁體充磁方向徑向向外,仿真結果如圖9所示,在永磁體磁場的單獨作用下,轉子產生5個磁極。主轉子氣隙處形成S極,副轉子及側外轉子氣隙處為N極。

圖9 永磁體單獨產生磁極的示意圖

同理,對定子線圈產生的磁極做類似仿真,設勵磁電流產生的磁力線沿徑向向內。仿真結果如圖10所示,主定子氣隙處形成S極,副定子的兩氣隙處均形成N極。由仿真圖可知:相同位置氣隙處,定子、轉子產生相同磁極。磁極相同則相互排斥,可驗證新結構在理論上能實現能量轉換,驅動電動機旋轉。

圖10 定子線圈單獨產生磁極的示意圖

3.3 永磁電動機磁路的驗證

模型設置后進行3D靜態磁場仿真,在模型中設置切面,觀察不同區域氣隙處磁通量密度及分布情況,分析仿真結果后依據磁學理論對永磁電動機結構參數進行優化。

3.3.1 第一代仿真

第一代仿真結果如圖11所示。3個氣隙分別為主氣隙-徑向氣隙、副氣隙-軸向氣隙、副氣隙-徑向氣隙。仿真結果顯示磁通量密度不理想,主氣隙處的磁通量密度為0.897 T,副氣隙處僅為0.302 T。究其原因是主副定子鐵心間的連接塊尺寸過小,達到了磁飽和,過多的磁通形成了漏磁,因此主、副氣隙處的磁通量密度沒有提高。副氣隙處的磁通量密度小是因為副氣隙的表面積很大,徑向和軸向氣隙面積之和是主氣隙的2倍多。由于副氣隙處磁通量密度較小,因此減小副定子和副轉子的尺寸能進一步提高電動機的功率密度。

(a)主氣隙處的磁通量密度

(b)副氣隙處的磁通量密度

3.3.2 第二代仿真

基于第一次仿真結果,將定子鐵心的連接塊尺寸增加2 mm,氣隙處磁力線通過的面積增大,避免出現磁飽和,降低了漏磁風險;同時將永磁體厚度從4 mm增加到6 mm,提供更高的磁通量密度。仿真結果如圖12所示,磁通量密度在主氣隙處提高至1.100 T,比圖4所示的原有電機仿真結果(0.913 T)提升了20%;副氣隙處的磁通量密度提高至0.500 T,與圖4相比提升了11.7%。仿真結果表明改進的結構設計合理。

(a)主氣隙處的磁通量密度

(b)副氣隙處的磁通量密度

3.3.3 第三代仿真

由于副氣隙處的磁通量密度較低,將副氣隙徑向氣隙的軸向長度由8 mm縮減為3 mm,副氣隙處軸向氣隙的尺寸不變,仿真結果如圖13所示。主氣隙處的磁通量密度對比二次改進后的結果稍有下降。副氣隙處的徑向氣隙和軸向氣隙處的磁通量密度提高至0.650 T。此方案減小軸向尺寸10 mm,從而減小了重量,提高了氣隙處磁通量密度,提升了電動機的扭矩和功率密度。

(a)主氣隙處的磁通量密度

(b)副氣隙處的磁通量密度

4 結 語

外轉子永磁電動機以其優良的性能廣泛應用于電動汽車、無人機、礦山機械等領域。本文通過對現有常見貼片式外轉子電動機的仿真分析,驗證了相鄰永磁體互為對方磁路中大磁阻及漏磁大的問題。為進一步提高電動機的功率密度,本文提出一種新型復合氣隙的電動機,具有2個徑向氣隙和1個軸向氣隙,兼有盤式電動機和圓柱式電動機的優點。經仿真分析驗證,該結構能有效降低磁路磁阻,提升氣隙處的磁通量密度,實現電動機本身的輕量化。目前僅對永磁磁路進行了分析,后續將增加電磁場磁路分析,對電動機結構進行改進設計。