新型永磁复合电机研究

杜世勤，章跃进，江建中

  (上海大学，上海200072)

摘要：永磁无刷电机内嵌到同心式磁性齿轮中，形成新型永磁复合电机。电机为内定子外转子结构，外转子输出低速大转矩，适合直接驱动。采用数值解析结合法计算复合电机磁场，电机三层气隙区域无网格剖分，内外转子可自由转动，方便感应电动势计算。电动势计算波形和实验波形比较，取得很好的一致。

    关键词：复合电机；磁性齿轮；转子转动；数值解析结合法

    中图分类号：TM351  文献标识码：A  文章绵号：1004—7018(2010)04—0001—03

0引言

    直接驱动可避免机械变速机构引起的摩擦、振动、噪声等许多弊端，因此越来越受到工业发达国家的重视[1]。直接电驱动的关键是电机能否达到低速大转矩的要求。自控式永磁同步电机采用分数槽多极结构，可实现低速大转矩直接驱动。如电动车辆轮毂式直接驱动永磁无刷电机[2]；电梯直接驱动永磁外转子同步曳引机[3]；串联磁路结构双定子混合式直接驱动电机[4]；横向磁通永磁电机是典型的高转矩密度电机[5-7]。研究表明，永磁无刷电机在自然冷却、强制风冷和水冷却的条件下，其转矩密度可分别达到10 kN.m／m3、20 kN·m／m3、30 kN·m／m3[8]；双定子永磁电机的转矩密度可达单定子的1．44倍[9]；在自然冷却条件下，横向磁通永磁电机的转矩密度可达40～80 kN·m／m3[8]。但是，横向磁通永磁电机性能上存在功率因数低、定位转矩大的问题。

    磁性齿轮利用磁力传动，无机械接触。英国、丹麦学者[8,10-11]。从理论和样机的具体实践上完成了一种新型磁性齿轮的设计工作，结构如图1所示。这种磁性齿轮克服了以往永磁齿轮转矩密度低及磁钢利用率差的缺点，转矩传递效率可达96％，转矩密度可达100 kN·m／m3[10]。新型磁性齿轮的研究为高转矩密度电机的研制提供了新的途径。

    受到新型磁性齿轮研究的启发，本文提出一种复合永磁电机，将高性能同心式磁性齿轮与自控永磁电机集成，如图2所示。磁性齿轮的少极内转子与内部永磁电机的多极外转子合为一体，磁性齿

轮的低速外转子与输出轴相联结，永磁电机的内定子与磋性齿轮的调磁部分为定子，从而获得一种结构紧凑、转矩密度高，可用于低转速、大转矩直接驱动的永磁电机。由于舍弃了机械传动齿轮，从而提高系统的传动效率，减小体积，降低维护成本和噪声。复合电机结构复杂，内部有三层气隙，增加了电机磁场分析和计算的难度。本文采用数值解析结合法计算复合永磁电机的磁场。数值解析结合法的特点是气隙区域内无网格，内外转子能以不同步长、不同转向自由转动，在多气隙电机的磁场计算中，这一长处得到了充分发挥，为感应电动势、电磁转矩以及电机性能精确计算创造了条件。样机的感应电动势计算波形和实验波形取得了很好的一致，证明了本文分析方法的正确性和有效性。

1新型复合电机的工作原理

    复合电机的主要组成部分是同心式磁性齿轮，是由英国D．Howe教授根据磁场调制原理提出的一种新型磁性齿轮。磁场调制式磁性齿轮主要有三部分构成，如图1所示。两个旋转部件分别是少极内转子和多极外转子，两者中间为导磁与非导磁材料相间构成的调磁铁块，起到调制内外转子磁场的作用。

  新型磁性齿轮的巧妙之处是利用调磁铁块引起主磁路磁阻的变化，使两边永磁体磁场经调制后产生与对面转子永磁体具有相同极对数的谐波磁场，

    从上式可以得出，调制后的气隙径向磁密，其空间谐波的极对数如下：

而且可以得出磁密空间谐波的旋转角速度为：

    由上式可知，由于引入了调磁齿极，即k≠0，气隙磁密空问谐波的旋转角速度已不同于永磁体所在转子的旋转角速度。因此，要使内、外转子转速不同，k必须为非零值。于是，另一个永磁体转子的极对数就必须等于k≠O时的一个空间谐波的极对数。因为m=1，k=一1的组合，可以