新型永磁复合电机的设计与优化

喏名L乃农别名阄2018,45(6)研究与设计IEMCA新型永磁复合电机的设计与优化葛研军，万宗伟，王雪，张俊(大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028)摘要：基于同心式永磁齿轮的运行机理，设计了一种新型的低速大转矩永磁复合电机模型，给出了模型参数化设计的计算方法。通过控制变量法，逐一改变调磁极块的长度、厚度，定子冲片轭铁厚度转子轭铁的厚度等参数，再通过An-f0参数进行优化。结果表明，可效提高电机的转矩密度，降低转速波动。关键词！同心式永磁磁齿轮；永磁电机；参数化设计；控制变量法；优化仿真中图分类号：TM302文献标志码：A文章编号：1673-6540(2018)06-0051-05Desij,nandOptimizationofNewPermanentMagnetCompoundMotorGEYanjun，WANZongwei，WANGXue，ZHANGJun(CollegeofMechanicalEngineering，DalianJiaotongUniversity，Dalian116028，China)Abstract:Basedonthemechanismofconcentricpermanentmagnetgear，anewmodeloflowspeedandhightorquepermanentmagnetcompoundmotorwasdesigned，andthecalculationmethodofthebasicparametersofthemodelwasgiven.Bycontrollingthevariablemethod，theparameterssuchasthelengthofthepoleblock，thethicknessofthestatorpunchandthethicknesoftheinnerrotoryokewerechanged，andtheparameterswereoptimizedbyAnsoftfiniteelementsimulationsoftware.Theresultsshowedthatthemotortorquedensityandreducespeedfluctuationswereeffectivelyimproved.Keywords：concentricpermanentmagnetgear；permanentmagnetmotor；parametricdesign(controlvariable;optimizationsimulation0引言机械传动大一转动（如异步电机或永磁同步电机）一机械齿轮变速箱，其目的转动的高速低转矩.转换为低速大转矩输出。但机齿轮箱的也、机齿轮间的胶合、点蚀、。永磁的，磁传动以迅速[卜5]。2001年，英国K.Atallah和D.H〇we[6]设计出了一种全新的磁力齿轮，通过调磁环调制作用，可、外转子上永磁部参与转矩的传递，其转矩密度可达到183kN+m/m3,可与机械齿轮相媲美。将这种新型永磁齿轮与现代永磁电机相结合，可一种永磁复合电机[7〇]。电机可通电机的旋转驱动与机械齿轮的变速传动相结合，不了机电系统的传动链，可传统机齿轮，的。基于磁场调制式磁齿轮的原理，设计出一种只有单层气隙结构的新型永磁复合电机。这种新型永磁复合电机结构简单，易于装配，且因为其单层气隙的结构特点，避免了多层气隙漏磁严重的问题，提高了永磁复合电机的转矩密度，降低了输出波动。#基金项目：国家自然科学基金项目（51375063)作者简介：葛研军（1964—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为机电传动与控制。万宗伟（1992—），男，硕士研究生，研究方向为机电传动与控制。王雪（1993—），女，硕士研究生，研究方向为机电传动与控制。一51—研究与设计IEMCA違权控刹名阄2018,45(6)1新型永磁复合电机运行机理新型永磁复合电机的机械结构如图#所示。在图1中，定子冲片定子槽中的三相绕组构电机的定子部分，电机的转子部分由永磁体块硅钢片压制的轭铁组成。从结构看，新型永磁复合电机的机电结构与传统永磁同步电机十分相似，均由三相绕组中的交流电产生旋转磁场，与转子上的永磁体行磁场耦合并以此传递转矩。与传统永磁电机的不同之处在于，图1所示的定子铁心槽与槽之间均有一凸起部分，其作相当于磁齿轮的调磁极块，可定子绕组的磁场进行调制，产生的磁场与内转子永磁体极对数相匹配并传动比。调磁电机定子合为一体的结构，可使调磁极块数与定子槽数，并传统复合电机的三层气隙简化为一层，减少了极间漏磁，降低了电机的装配难度。若设新型复合电机绕组的极对数为4定子槽数为+电流频率为/，绕组产生的磁场转速为%0,内永磁体极对数为4,输出转速为为i则有：%-，传动比60/%0=~4(1$4=+~P(2$.4%0i=—=—4%⑶%0605%,=-siZ-4⑷由式（4)知，新型永磁电机的输出转速与绕组频率，绕组极对数和定子槽数（调磁极块数$关。其中，绕组频率和绕组极对数决定电机绕—52—组磁场的转速，绕组极对数和定子槽数决定内外磁场的传动比。2模型参数计算2.1结构参数计算设电机输出功率8=23kW，输出转速％-=6r/min，由于磁场调制式磁齿轮其传动比i在3〜4传动比为分数时其传动较好[9〇&]，因此本文取传动比纟=425。由式（3$可得％&=25.5r/min，由式（1$〜式(4)可：p=16，/=6.8Hz，+=44，ps=68设复合电机定子外径为：1，转子外径为：2，转子内径为：3，转子厚度为；2，轴向长度为，电机输出转矩为=，总体积为，并取转矩密度==150kN•m/m3，则有：8=69549—%636.6kN•mT?!=1•(5$T4iC+8?26槡%(6$式中：——电机常数，可由电机主要尺寸计算公式获得[12]。根据电机设计经验，预取；2=80mm及？1=1080mm，根据式（5)、式（6$可计算出=720mm，？2=790mm，？$=630mm。2.2气隙及槽型计算取最小气隙长度为1mm，槽型选择梨型槽。图2所示为复合电机梨形槽结构示意图。设定子冲片厚度为；0，定子轭部厚度为；1，定子槽齿距为A，齿宽厚度（即调磁环厚度）为B。，齿宽之间相交角为！定子槽下线深度为B1，则：图3电机输出转矩基于AnsysMaxwell^由表#所示参数电机进行建模分析，可得图3及图4所示的电机出转矩与转速。00.20.40.60.81.01.2t/s图4电机输出转速由图3可知，电机起动时，转矩急速增加；到幅值后，转矩开始波动(最后转矩在kN近定。因为电机起动时转子转速小，转子能获的转矩冲量出转矩急速增大。由于作较强，转矩波动幅值较大;当转子转速提高时，变，电机输出转矩变。由图4可知，起动时，复合电机的定子磁场开始旋转，根据定律，转子开始向减少磁通方向转（与定子磁场转向相同即正转$。转子的旋转，调磁环开始磁场产生调制作用，工作大于，转子开始反转。电机.后的转速为'Fn，定子磁场转速为25.5r/min，设计传动比的，验了对新型复合电机传动比的理导。3结构参数优化设永磁复合电机的输出转矩为=，影响转矩的参数主；#、；2、B。、#下逐一改变参数，通过结果来研究之间的关系。3.1!#及！2与关系图5所示为;2与=之间的关系图。由6-B0(7)?_?26——(4)式中：#---调磁环参数，是调磁环导磁材料和气隙的比值，预取B&t6以111、#=1。由式（4$式（9)可得：A〇=14mm，！=2.14〇，B#=104mm，；0=144mm。其他槽尺寸算法与普通电机相同。2.3永磁体的结构参数设C为永磁体剩磁，C为轭铁所能通过的最大磁通密度，永磁体厚度为，永磁体径向长度为D。由于穿过永磁体表面与内轭铁的磁通量相等)13-14*，因此若设永磁体表面积为、，磁力线穿过内轭铁的截面积为Ee，则C+Ey=C+Ee。1CB36^C(10)由式（11$及式（12$并经圆整可得：=4mm，D=14mm。，可初定表1所示的新型永磁电机结构参数。表1新型永磁电机初选结构参数______参数参数值内转子永磁体极对数464定子绕组极对数P16定子冲片外径？1/mm1040电机转子外径？*/mm790电机转子内径？/mm630定子槽数+44最小气隙长度mm1电机轴向长度/mm720磁化强度F/(A.m—1)-490000真空磁导率$4!10-7相对磁导率$1.0997定子轭部厚度；i/mm30转子轭部厚度；2/mm90调磁环厚度B0/mm6调磁环齿比#1永磁体厚度B3/mm4永磁体径向长度D/mm14表1中永磁体材料为NdFe35,充磁方式为径向磁。省机滅刹名闱2018,45(6)研究与设计IEMCA?.§)/跋源S渥一53—研究与设计IEMCA違权控刹名阄2018,45(6)，〇0.20.40.60.81.01.2t/s图7模型优化后输出转矩图图5可知，当；#A27mm开始逐渐变大，=速增加，然后最后趋于稳定。因为当；#过小时，定子轭铁内的磁通了的极值，产生漏磁（的增加，轭磁密会逐减少，值，这时轭部漏磁减少，复合电机输出转矩增加;当轭部磁密值时，即'“；#，=增加；由于定子冲片厚度一个固定值，增加，定子最大槽深会减小，导效槽面积减少，降低电机的工作性能。与=的关系同；#类似。当；2从20mm开始增加时，=速增大，然后最后趋于定。转子轭铁一定的厚度来避免磁饱和现所的漏磁，且；*复合电机转子的转动惯量，；2过大会导致复合电机启动难。所述，；#';*都不应该取值过小，否则将出现磁，增加电机的涡流（但取值太大，；#过大，低定子槽的有效面积，减小槽内导体数，电机的；；*过大将增加内转子的转动惯量制本。最终取二32mm，；2二50mm。3.2与关系«和B〇复合电机磁场调制效果的重要参数。图'所示为#B〇和电机最大输出转矩=的关系图。由图'可知，#的增加，复合电机的磁场调制效果越好，=大。当#一定时，随着B〇的增加，=速变大，然后增加，直于稳定，说明调磁极块一定的体积。若积过小，复合电机磁场调制效果较差，导磁场的过大，；增大调磁极块的厚度，会增加磁路磁阻，降低磁动势。在设计复合电机调磁极块时，调—54—图6调磁极块参数与=的关系磁极块的体积设计，然后在机械结构允许的下，#尽量大一些，B〇量小一些。优化后取B〇=8mm，#=1.1。335与关系5对电机的大，气隙减少，电机输出转矩大幅增加。因为当磁场耦合时，磁感线磁阻最小的路径通过，气的磁阻大，5增加时，导复合电机的磁动势下，导出转矩降低。但气隙长度过小将增加装配难度，转子旋转时易发生，故取5=0.8mm。所述，最化的模型结构参数如表2所示（未变参数未在表2列出$。表2优化后永磁电机的结构参数参数名称参数值定子轭铁厚度；#/mm32转子轭铁厚度；2/mm50调磁环厚度B0/mm8调磁环参数#1.1气隙宽度5/mm0.8图7和图8为模型优化后的输出转矩图出转速图。优化后电机输出转矩为36.1kN，较化前26.4kN提高了26.9%，且模型优化后电机输出转矩和转速比优化加稳定。?-m)/』图4模型优化后的输出转速图4结语通过研究同心式磁齿轮和永磁同步电机的运行机理，了一种新型永磁复合电机的模型，给出了模型参数的计算方法。通过模型进行验证，结果表明，仿真结果和理论设计输出基本一*致。通过计算逐一分析了结构参数与输出转矩的关系。结果表明，定子轭铁厚度、转子轭铁厚度、调磁环厚度、气隙宽度等参数对转矩较大。其中气隙宽度对复合电机输出转矩的丨最大。调磁环的磁场调制效果调磁极块一定的体积。设计复合电机时分决定调磁极块的厚度宽度，其中厚度过大会增加磁路磁阻，宽度过大会增加绕组的下线难度。【参考文献】)1]王虎生，侯云鹏，程树康.无接触永磁齿轮传动机构[J].微电机，2008,41(2):72-73.)2]中，刘新无新型磁场调制式磁性齿轮的设计研究[D]无：大学，2008.[3]J0RGENSENFT.MagneticdevicefortransferofforcesDK: