新型材料結構無軸承永磁電機輸出特性影響分析

＊陳苗 年順

（江西銅業集團有限公司德興銅礦 江西 334200）

無軸承永磁電機（Bearingless Permanent Magnet Motor，BPMSM）是將永磁電機、磁懸浮電機及無軸承技術相融合的產物，由于具有無需潤滑、無摩擦磨損、控制簡單、體積小、能耗低等優點，無軸承永磁電機在大型礦山的采、選礦領域得到了廣泛應用[1-3]。轉子材料、結構的不同對電機性能影響很大，但目前大部分無軸承永磁電機的轉子材料和結構性能較差，導致電機的輸出特性不優[4]。隨著對鐵磁材料和結構研究的不斷深入，越來越多新型材料和結構被應用至永磁電機中[5]。

近年來，瑞士、日本、美國等國家在無軸承永磁電機研究領域均取得了不小成就。雖然已經得到了廣泛應用，但如何提高電機中永磁體的工作效率和利用率，使其具有最優性能一直是無軸承永磁電機研究的重點和新需求[6]。近年來，為了更加貼合這一需求，Halbach陣列開始應用至無軸承永磁薄片電機中[7-8]。隨著對鐵磁材料研究的不斷深入，越來越多學者[8-11]通過研究不同材料對電機輸出性能的影響，為制造樣機時材料的選擇提供依據。趙元勝等[12]將1J22、非晶合金等新型材料應用到永磁電機定子上，對比了1J22、非晶合金與傳統定子材料在輸出性能上的優異程度。

綜合以上分析，結合稀土釹鐵硼材料及Halbach陣列結構的優勢和兼容性，設計出一種新型的無軸承永磁電機轉子材料與轉子組合，并通過ANSYS電磁仿真驗證了該組合的有效性和優越性。

1.無軸承永磁電機的工作原理

本文研究的無軸承永磁電機跟常規永磁同步電機略有不同，除了基本的轉矩輸出外，該電機還能實現轉子完全磁懸浮，其原理圖如圖1[13]。

圖1 無軸承永磁電機原理圖

其中，無軸承永磁電機軸向的三個自由度為被動懸浮，由于無軸承永磁電機轉子的軸向長度遠低于其徑向長度，按照磁阻力定理，磁力線總會沿著磁路最小路徑閉合，當轉子偏離平衡位置時會受到一個與偏移方向相反的力，把轉子拉回至中心。徑向懸浮力產生的原理則是通過兩個不同極對數的磁場共同作用，進而產生徑向方向上的磁拉力。

2.新型永磁轉子結構

（1）普通永磁轉子結構。圖2為永磁轉子的Halbach陣列結構。

圖2 Halbach陣列結構

如圖2所示，Halbach陣列結構的永磁體塊數量和布置方式更為復雜，相比于表貼式結構，Halbach陣列結構可以提高永磁體的效率和利用率，比如需要產生相同的磁場，Halbach陣列結構所消耗的永磁體材料更低，如此一來，便可以通過優化結構起到節省昂貴的稀土材料和提升電機性能的雙向作用。

（2）新型Halbach陣列永磁轉子結構。為了進一步提高永磁材料的利用率和無軸承永磁電機的懸浮性能，本文對Halbach陣列進行了優化。其設計過程如下所示。

①做一個圓與60°磁化永磁體相交；

②去除交點以外的兩個角部分，將單個永磁體變成中間厚、邊薄的形狀；

③參數化掃描該圓的偏心距，找出氣隙磁密度最大時的偏心距，即最優偏心距。參數化掃描結果如圖3所示。

圖3 參數化掃描結果

從圖3可以看出，永磁體的最佳偏心距為5.5mm。因為氣隙磁通密度曲線在偏心距為5.5mm時最接近正弦曲線，其峰值最小，證明均勻性較好。電機采用這種結構的轉子，更容易控制，運行更穩定。因此，對Halbach陣列永磁轉子進行60°磁化，并進行5.5mm偏心處理，獲得新型Halbach陣列永磁轉子結構如圖4所示。

圖4 新型Halbach陣列永磁轉子

（3）仿真分析。為了凸顯本文改進Halbach陣列永磁轉子結構的優越性，在Ansoft Maxwell 2D中對常規表貼式永磁轉子、常規Halbach陣列永磁轉子和本文改進Halbach陣列永磁轉子進行有限元電磁分析，并對它們的氣隙磁場和徑向懸浮力進行了對比。

①氣隙磁場的對比分析

圖5所示為三個不同永磁陣列結構的磁通線分布。

圖5 三個不同永磁陣列結構的磁通線分布

從磁力線結果來看，一方面，Halbach陣列可以集中永磁體側面磁場，可以得到一個正弦度高的磁場，這種情況對電機是非常有利的。另一方面，表貼式永磁體內部的磁通線明顯不如Halbach陣列的密集，表明表貼式永磁轉子需要使用轉子鐵芯，而Halbach陣列可以不需要永磁轉子。

從圖5（b）和5（c）對比可知，相對于常規Halbach陣列轉子，其內側的磁通線更靠近永磁體，即新型Halbach陣列的磁路為更短。這表明新型Halbach陣列可以大大降低轉子磁軛的厚度，使電機整體更加緊湊。

上述對比分析說明本文中的新型Halbach陣列結構在輸出性能具有一定優勢，下一步將考慮轉子永磁體材料對電機性能的影響。

3.不同永磁材料對電機性能的影響

通過第3節獲得了最優永磁轉子結構，但除此之外，轉子中永磁體材料的選取也是影響電機性能的重要因素。為此，本文選取了鐵氧體、鋁鎳鈷、釹鐵硼這三種材料作為轉子永磁體材料進行對比分析，結構均采用第3節獲得了最優永磁轉子結構，仿真軟件采用ANSYS，得到能表征電機性能的氣隙磁密分布圖如圖6所示。

圖6 三種不同材料的氣隙磁密分布圖

由圖6對比可知，相較于鐵氧體和鋁鎳鈷這兩種材料，同等體積下的稀土釹鐵硼永磁體因為具有較高的磁能積，能提供最大氣隙磁密度。其次是鐵氧體，最低的是鋁鎳鈷。說明稀土釹鐵硼作為無軸承永磁電機的轉子永磁體材料更優。

從圖7中可以看出，徑向懸浮力隨著電流的增大而增大，且稀土釹鐵硼永磁轉子曲線斜率大于鐵氧體永磁轉子和鋁鎳鈷永磁轉子的曲線斜率。當通入繞組的電流一致時，稀土釹鐵硼永磁轉子所受的懸浮力是最大的以上說明對于無軸承永磁電機而言，同等體積下轉子永磁體材料，選取稀土釹鐵硼是最優的，能夠提供最優的懸浮性能。

圖7 三種不同材料的懸浮力對比

鑒于此，將稀土釹鐵硼永磁材料應用至電機中，與新型Halbach陣列相結合，可以進一步提高電機的轉矩性能和懸浮性能。

4.結論

本文在考慮無軸承永磁電機的特殊性的基礎上，綜合Halbach陣列結構與稀土永磁材料的優點，設計了一種新型的無軸承永磁電機轉子材料與轉子組合，并通過ANSYS電磁仿真驗證了該組合的有效性和優越性。結果表明，本文設計的新型材料、結構可以顯著提高無軸承永磁電機的懸浮性能，新型Halbach陣列轉子結構性能最優，且進一步提高了工作效率和永磁體利用率。