三峡大学井立兵团队特稿:磁力变速永磁无刷电机的解析计算与设计
  • 发布时间:2020-04-06
  • 浏览次数:
  • 作者:电气新科技
  • 来源:百家号
  • 分享

团队介绍w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

井立兵,工学博士(后),三峡大学电气与新能源学院副教授,博士研究生导师,主要研究方向为磁力传动装置设计,新型特种电机研制和电机电磁场计算等。作为负责人或主研人员参与10余项科研项目的研究,包括国家自然科学基金、湖北省自然科学基金项目、国家重大仪器专项子课题,中国博士后面上项目以及多项开放基金项目。在IEEE Transactions、中国电机工程学报、电工技术学报等国内外学术刊物发表学术论文70余篇。w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

龚俊,硕士研究生,主要从事磁力传动设计及电机电磁场计算研究,发表的学术期刊论文被SCI/EI收录6篇。w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

导语w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

本文运用二维精确子域解析法计算Halbach阵列磁力变速永磁无刷电机气隙磁场。根据磁力变速永磁无刷电机的结构特点,分别建立磁力齿轮和永磁无刷电机两部件解析模型,求解场域通过边界连续条件建立联系。通过各子区域的矢量磁位磁通解析式来计算电机磁场、齿槽转矩、反电动势和电磁转矩;最后通过样机空载和负载试验测试。证明了该解析方法的正确性和有效性。w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

研究背景w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

永磁电机在重量和体积上均较小,结构相对比较简单,具有高效率,低损耗等显著优势,已应用于现代科技生产和社会生产生活的各个领域。要实现直驱式永磁电机低速大转矩传递,需增加永磁体极对数,增大电机体积,电机转矩虽有所增加,但电机转矩密度显著降低。磁力齿轮与永磁电机配合构成复合电机具有较高的转矩密度,在低速高扭矩场合如电动汽车、风力涡轮机,这种复合电机将发挥它的巨大优势。w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

应用解析法对复合电机气隙磁场进行计算,可以有效解决数值法计算复合电机模型时,在气隙网格剖分和转动位置上的缺陷,从而实现转子的自由旋转。w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

论文方法及创新点w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

图1是Halbach阵列磁力变速永磁无刷复合电机结构模型。该复合电机由两大部件构成:内部是一个带外转子的永磁无刷电机 (PMBM);外部是一个磁力齿轮 (MG)。复合电机的高速内转子由PMBM转子和MG高速转子通过一个不锈钢圈连接组成;复合电机低速外转子是MG的低速转子。w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

复合电机低速和高速转子磁体分别采用径向充磁和Halbach阵列结构,利用Halbach阵列的磁场自屏蔽效应,使电机与磁力齿轮主磁通相互解耦。由于采用Halbach阵列,转子铁芯轭部的磁场相对很弱,可适当减小轭部厚度,不但节省硅钢片材料,还可缩小复合电机总体积。w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事
图1 复合电机模型

Halbach阵列具有聚磁效应,但需要有正确的磁化角度来获得正弦分布磁场。图2是内电机高速转子一对永磁体平面图,其中永磁体每一极均分3小块,每隔60°依次充磁,箭头代表的是每小块磁体磁化方向。w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事
图2 磁体磁化示意图

图3是电枢反应磁场气隙磁通密度的径向分量和切向分量。解析结果与有限元分析结果相符,电枢反应磁场描述准确。证实了本方法是正确有效的。w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事
图3 电枢反应磁通密度

图4(a)、(b)分别表示该复合电机齿槽转矩计算结果和傅立叶分解结果。由图可知,齿槽转矩周期是20°电角度,幅值约为117.3mNm。齿槽转矩两种计算值波形吻合良好。w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事
图4 齿槽转矩

图5所示为Halbach阵列磁力变速永磁无刷电机试验平台。w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事
图5 样机及试验平台

样机传递效率曲线如图6所示。从图中可知,在转速为15r/min,输出转矩为40Nm、80Nm和120Nm时,传递效率均低于90%。这是因为空载损耗占相对较大比值,复合电机在低速、轻载运行时,传递效率相对较低,而随着输入功率的增大,空载损耗所占的比例逐渐下降,效率逐步提高,基本都在91%以上。w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

图6 传递效率

图7为不同负载下,复合电机功率因数的变化曲线。功率因数曲线随着转速的升高整体呈现下降的趋势。与传递效率相似,负载较轻时,功率因数较小,大负载运行时,功率因数较高。样机运行最大功率因数可以达到0.905。w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事
图7 功率因数

同时还对Halbach阵列磁力变速永磁无刷复合电机转矩响应进行了测试。该复合电机的输出转矩动态响应性能良好,跟随速度快,转矩稳定且脉动较小。w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

结论w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

本文采用解析法计算了Halbach阵列磁力变速永磁无刷复合电机磁场、建立了Halbach阵列充磁解析模型、各子区域矢量表达式。计算了复合电机内层气隙磁密和电机齿槽转矩,解析计算波形与有限元法计算波形结果一致,较有限元法计算时间短,证明了解析法的有效性和正确性;同时能快速改变复合电机的主要电磁参数尺寸,达到优化预设计的目的。w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

从试验结果知,样机效率可以达到90%以上,且比较稳定;负载运行的最大功率因数可达0.905,随着转速的升高,功率因数整体呈下降的趋势。而且,采用Halbach阵列结构,可以节约成本,有效减小电机体积,提高电机转矩密度。本研究方法可以为磁力齿轮复合电机设计提供一种有力的工具。w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

引用本文w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

井立兵, 龚俊, 章跃进, 曲荣海. Halbach阵列磁力变速永磁无刷电机解析计算与设计[J]. 电工技术学报, 2020, 35(5): 954-962. Jing Libing, Gong Jun, Zhang Yuejin, Qu Ronghai. Analytical Calculation and Design of Magnetic Variable Speed Permanent Magnet Brushless Machine with Halbach Arrays. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 954-962.w8t西莫网 - 凝聚电机人,尽谈电机事

推荐阅读
  • 从恒大离职的吕超要去干轮毂电机,这事到底靠谱吗?

    轮毂电机 2020-05-17 AutoLab

    从恒大离职的吕超要去干轮毂电机,这事到底靠谱吗?

    近日,恒大动力科技集团常务副总裁吕超在朋友圈发布动态称,自己已于2020年4月24日向公司提出辞职;并在动态中深情款款的表示,推动轮毂电机产业化是自己的理想,以后将继续为此努力。

  • 绿源电动车推出液冷电机 电机效率提升至90%

    国内新闻 2020-05-17 北国网

    绿源电动车推出液冷电机 电机效率提升至90%

    电机效率低一直是电机行业所面临的难题,尤其是电动车电机。受机械损耗与电磁损耗的制约,电动车电机效率一直难以提升。前不久,绿源电动车推出液冷电机,将电机效率提升至90%,实现了电机效率的突破。

  • 四年坚守 东方电机迎“未来工厂”

    国内新闻 2020-04-10 新华社

    四年坚守 东方电机迎“未来工厂”

    经近四年攻坚克难,在我国重大装备制造业基地、首批新型工业化产业示范基地四川德阳,东方电气集团东方电机有限公司(下称“东方电机”)“大型清洁高效发电装备智能制造数字化车间建设项目”3月25日正式通过国家工信部专家组验收。

  • 华电融安白云岭风电项目一期并网发电

    国内新闻 2020-04-07 经济日报

    华电融安白云岭风电项目一期并网发电

    4月3日16时35分,华电广西能源有限公司融安白云岭风电项目一期顺利实现并网发电。这是广西壮族自治区全面复产复工以来首个投入商业运营的风电项目,也是中国华电在广西区域第二座投入运行的风电项目。

  • 三峡大学井立兵团队特稿:磁力变速永磁无刷电机的解析计算与设计

    永磁无刷电机 2020-04-06 百家号

    三峡大学井立兵团队特稿:磁力变速永磁无刷电机的解析计算与设计

    本文运用二维精确子域解析法计算Halbach阵列磁力变速永磁无刷电机气隙磁场。根据磁力变速永磁无刷电机的结构特点,分别建立磁力齿轮和永磁无刷电机两部件解析模型,求解场域通过边界连续条件建立联系。

  • 西莫电机技术

论坛精华

培训导师

© 2007-2020 All Rights Reserved.
浙ICP备10025899号-3 浙公网安备:33028202000436号

 0574-82302755
  • 下载西莫论坛APP
    下载西莫论坛APP
  • 关注西莫微信公众号
    关注西莫微信公众号
相关网站:中国电机工程学会 浙江电机行业协会 天源科技 ANSYS IDAJ 清华大学 哈尔滨工业大学 宁波菲仕技术 浙江大学 常州富兴机电 大连科德数控 重庆大学 华中科技大学