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双转子径向永磁电机气隙磁密的分析计算

2010年第43卷第8期

双转子径向永磁电机气隙磁密的分析计算

收稿日期:

20090721

基金项目:

广州市科技计划项目（2008Z1-D421

曹江华,杨向宇,肖如晶

（华南理工大学电力学院,广州510640

摘要:

双转子径向永磁电机可以大大提高转矩密度和效率。

该文首先简要介绍了双转子径向永磁电机的基本结构、原理、特性及设计依据,然后采用等效磁路法对气隙磁密进行了解析,最后利用有限元法对所设计电机进行了静态磁场的分析和气隙磁密计算值的验证。

结果表明,双转子径向永磁电机在磁场上可看作由共用定子铁心的两个传统内、外转子永磁电机并联而成,气隙磁密的解析值和有限元计算值也吻合得较好,证明了分析和设计的可行性。

关键词:

双转子径向永磁电机;气隙磁密计算;静态磁场;有限元分析

中图分类号:

TM351文献标志码:

A文章编号:

10016848（201008002803

CalculationofAirgapFluxDensityinDualrotorRadialflux

PermanentMagnetMachines

CAOJianghua,YANGXiangyu,XIAORujing

（CollegeofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,ChinaAbstract:

Dualrotorradialfluxpermanentmagnetmachinescansubstantiallyimprovethetorquedensity

andefficiency.Thispaperbrieflyintroduceditsbasicstructure,operationprinciple,characteristicsanddesignbasis,calculatedtheairgapfluxdensitybasedontheequivalentmagneticcircui.tInaddition,toanalyzethemagnetostaticfieldandprovetheeffectivenessofthecalculatedfluxdensitywiththefiniteelementmethod.Theresultsshowthatthemagneticfieldofdualrotorradialfluxpermanentmagnetmachinescanberegardedasaparallelcombinationoftwotraditionalinnerandouterpermanentmagnetmachinessharedacommonstatorcoreandtheairgapfluxdensityvaluescalculatedbytheanalyticandfiniteelementmethodmatchwel,lwhichverifiesthefeasibilityoftheanalysisanddesign.KeyWords:

Dualrotorradialfluxpermanentmagnetmachines;Calculationofairgapfluxdensity;Magnetostaticfield;Finiteelementanalysis

0引言

与单转子结构相比,采用双转子结构可以充分

利用电机内部空间,克服磁拉力,减小漏磁,大大提高电机的转矩密度和效率。

QuRH博士和LipoTA教授对双转子永磁电机的结构、原理、设计、特性及相关参数的影响等进行了初步的理论和实验研究

[13]

;还对应用双转子技术的两种不同结构电机-

双转子径向磁通永磁电机和轴向磁通永磁电机进行了各种不同条件下转矩密度、转矩质量比、损耗和

效率等方面的性能比较[4]

;文献[5]对双转子永磁电机的电感参数及永磁电势进行了分析计算并研究了降低该电机齿槽转矩的方法。

但这些研究都是基于采用铁氧体永磁的基础上,采用稀土永磁体可显著减小电机体积和重量,还能

提高电机整体性能,尤其适用于那些要求高转矩密度、高效率及有空间限制的场合。

随着稀土永磁体价格的降低和电机性能要求的提高,双转子稀土永磁电机的优势也越来越明显。

文献[6]简单介绍了双转子钕铁硼永磁电机的等效磁路但没有考虑漏磁且没有对磁路进行分析计算,因此有待探讨和研究。

本文的目标正是基于钕铁硼永磁体进行双转子径向永磁电机（DRRFPM的研究,首先简要介绍了DRRFPM的结构及原理,给出了它的一些特性及设

计依据,然后采用等效磁路法对气隙磁密进行了解析计算,最后利用有限元分析软件对所设计电机进行了静态磁场的仿真。

结果表明,DRRFPM可看作由两个传统的永磁电机组合而成,气隙磁密的解析值与有限元计算值也吻合得较好,证明了计算公式的有效性。

双转子径向永磁电机气隙磁密的分析计算曹江华,等

1DRRFPM简介

如图1所示,DRRFPM可看作一台外转子永磁电机与一台内转子永磁电机嵌套在一起并共用一个定子的新型电机,主要由外转子铁心、外转子永磁体、内转子铁心、内转子永磁体和内外转子之间的

定子组成。

图1DRRFPM的结构

DRRFPM具有多种拓扑结构,永磁体的安放可采用表面式、内置式或混合式,绕组可采用普通或环形绕法,内外永磁体磁化方向既可相同也可相反。

图中的DRRFPM的内外转子在端部固定在一起并同步旋转,转子表面分别安装了永久磁铁,而定子沿轴向方向用螺丝固定在一个垂直静止的端盖上,两面均开槽。

对于恒定的电气和磁性负载来说,输出转矩的大小与气隙表面积的大小成正比。

DRRFPM的独特结构使得它体积只增大了一点却增加了一个气隙,这是该类电机转矩密度大大提高的主要原因。

其次,对于外径大小相同的电机来说,该类电机外气隙的直径往往比普通永磁电机气隙的大,在相同的表面电流和气隙磁通密度下,双转子电机外气隙中的转矩也要比普通永磁电机的大,这是转矩密度得以提高的第二个原因。

另一方面,与传统电机相比,由于DRRFPM可采用环形绕线方式,定子铁心的内外两面都得以利用,提高了铁心的利用率;并且绕组的端部很短,从而降低了铜耗,提高了效率,还减小了体积并降低了材料费用。

进行DRRFPM的设计时,除需满足普通永磁电机设计的要求外,还应注意以下几点:

由于DRRFPM采用环形绕线方式,内外层绕组的槽数和电流相等,因此应注意内外电机功率的分配;同时因每槽导体数相等,因此内外槽有效面积和槽满率应近似相等。

还有一点需要注意的是,采用N-N型永磁体时,内外环形磁路共用定子铁心,较之普通永磁电机更易达到饱和,因此在设计时应保证足够的定子铁心厚度。

2气隙磁密的计算

DRRFPM内外永磁体的磁化方向相反,形成N-N型磁通环路,内外永磁体驱动磁通分别穿过内外两个径向气隙、沿圆周方向穿过定子铁心再穿过气隙,然后分别沿圆周方向穿过内外转子铁心,形成两个并列的磁通环路。

同时,在内外气隙中还存在着一些明显的漏磁。

除了永磁体自身的漏磁外,对于表面式永磁电机,气隙中的漏磁还主要包括两个方面:

一是相邻永磁体之间的漏磁,一是永磁体与转子铁心形成的漏磁。

因此可以得到DRRFPM空载时的等效磁路,如图2

所示。

ri、r0为内、外每极永磁体产生的磁通;

i、0为内、外气隙的磁通;Rri、Rr0、Ri、R0、Rs为内、

外转子铁心,内、外气隙及定子铁心的磁阻;Rmi、Rmmi、Rmri、Rmo、Rmmo、Rmro为对应于永磁体自身、永磁体之间及永磁体与转子铁心之间的漏磁的内、外磁阻。

图2DRRFPM的等效磁路

设DRRFPM的定、转子表面光滑,由开槽引起的影响用传统的卡特系数来等效,并假设定转子铁心的导磁率为无限大,于是得到如图3所示的简化

模型。

图3DRRFPM的简化磁路

对上图进行求解,可得到内、外气隙磁通的表达式。

考虑到内、外磁路的对称性,以下只列出内电机部分:

i=

ri

1+RiRmi+2RiRmri+4RiRmmi

（1

根据文献[7]可求得空载时内气隙磁密平均值为:

Bi=Bri

1+WfiWmi+rieihPMiWmi+WfiWmi+2ei

（1+2!

i+4∀i（2

其中

ei=Kii

（3!

i=hPMiriWmiln（1+#ei

hPMi

（4∀i=

hPMiriWmiln（1+#ei

Wfi

（5

式中,i、Ki为内气隙的实际长度、卡特系数;ri、Bri、hPMi、Wmi、Wfi为内永磁体的相对磁导率、剩余磁通密度、磁化方向长度、沿弧宽度和极间宽度。

3有限元分析

本文所设计的DRRFPM内外槽和内外永磁体的中心线均对齐,内外永磁体采用N-N型钕铁硼N33SH并具有相同的极弧系数,定子绕组采用单层短距式并以环形绕制,定、转子铁心材料为DW540-50。

在进行空载静态磁场的有限元分析时,忽略边缘效应及电机外缘漏磁场,磁场由永磁体单独建立,电机具体参数见表1。

表1DRRFPM主要参数

额定功率/kW22相对磁导率1064额定电压/V380内永磁体外径/mm37频率/Hz50定子内径/mm375电机相数3定子外径/mm75极对数2外永磁体内径/mm755定子总槽数48外转子外径/mm90剩磁密度/T

115

铁心长度/mm

100

由永磁体单独建立的DRRFPM磁场如图4所示,可以看出,正如前所述,当采用N-N型永磁体时,磁力线分别穿过内外两个气隙,形成两个并列的磁通环路。

从图中还可以看出,在内外气隙与定子内外齿之间分别存在着一些明显的漏磁。

空载时的内外气隙磁密曲线及频谱分析如图5所示。

由图可以看出,齿槽对气隙磁密波形产生了一些影响,使得气隙磁密波形产生了畸变,并且内、外气隙磁密都含有少量谐波分量。

根据式（2和图5可分别求出内、外气隙磁密平均值的解析值与有限元计算值,如表2

所示。

表2DRRFPM气隙磁密值对比

B（T解析值有限元计算值

误差内气隙06330639094%外气隙

0448

0452

088%

由比较结果可以得知,有限元分析所得气隙磁密比解析值略高,这是因为在2D有限元分析中没有考虑端部漏磁。

气隙磁密的解析值与有限元分析结果拟合得较好,说明采用上述磁路分析DRRFPM是切实可行的。

4结论

本文利用等效磁路法对双转子径向永磁电机的气隙磁密进行了分析计算,并利用有限元分析软件进行了验证。

结果表明,双转子径向永磁电机的磁场可看作为由共用定子铁心的两个传统内、外转子永磁电机并联而成,气隙磁密的解析值与有限元计算值吻合得较好,证明了计算公式和所设计电机的有效性,为该类电机的进一步研究提供了一定的理论基础。

需要注意的是,双转子径向永磁电机的设计和优化比传统永磁电机要复杂,其他性能如齿槽转矩、

（下转第56页

速度辨识曲线虽然振荡和毛刺现象有所缓解,但速度辨识效果不理想;本文的改进蚁群算法优化的BPNN所构造的速度辨识器则能较好地跟踪系统的实际转速。

因此,本文的改进蚁群算法优化的BPNN具有优良的优化性能,由其所构造的速度辨识器可

以实现无速度传感器直接转矩控制。

4结论

本文提出了一种改进的快速全局收敛蚁群算法优化的神经网络模型,由它构造的速度辨识器在DTC系统中的应用显示出该网络模型的优越性能,同时还显示出了应用蚁群算法优化神经网络这一优化策略可以有效地避免它们各自收敛速度慢,易陷入局部极小点的缺点,二者结合起来形成一种具有较高性能的优化算法模型。

仿真实验结果表明:

用改进蚁群算法优化BPNN的速度辨识器代替传统的速度传感器是可行的,从而为实现无速度传感器直接转矩控制提出了可参考的有效方案。

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作者简介:

曹承志（1949-,男,教授,主要研究方向为智能控制与优化技术。

（上接第30页

过载能力和温度对电机的影响等也都非常重要,但不包括在本文中,将在以后再进行深一步的研究。

参考文献

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leakagefluxesinasurfacemountedpermanentmagnetmachine[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2004,

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121126.

作者简介:

曹江华（1982-,女,博士研究生,主要研究方向为永磁电机及其控制。