Halbach磁体结构的外转子永磁电机设计分析_图文

1、中图分类号:TM351文献标识码:A 文章编号:100126848(20060720035203Halbach 磁体结构的外转子永磁电机设计分析孙秋霞1,王法庆2(1.哈尔滨工业大学电气工程学院,哈尔滨150001;2.山东大学,济南250061摘要:介绍了halbach 磁体结构的优点,给出了基于halbach 磁体结构的外转子永磁电机的基本模型。通过有限元分析,比较了halbach 磁体结构与普通磁体结构的外转子永磁电机,验证了halbach 磁体结构外转子永磁电机优越性,并提出其作为直接耦合风力发电机的可能性。关键词:Halbach 磁体结构;外转子;永磁电机;有限元分析;风力发电机;设

2、计Analysis of a H albach Array permanent Motor with External R otorSUN Qiu 2xia 1,WAN G Fa 2qing 2(1.Depart ment of Elect rical Engineering ,Harbia Instit ute of Technology ,Harbin 150001,China ; 2.Shandong U niversity ,Jinan 250061,China ABSTRACT :In t his paper ,a number of att ractive feat ures of

3、 halbach array is p resented first ,and t hen t he basic model of a halbach array permanent motor wit h external rotor is given.Through t he finite element analysis ,halbach array permanent magnet machine is st udied com 2pared wit h t he normal array one ,validate t he advantage of t he halbach arr

4、ay permanent motor wit h external rotor.Finally ,bring forward t he po ssibility using for Direct coupled permanent magnet wind power generators .KE Y WOR DS :Halbach array ;External rotor ;Permanent motor ;Finite element analysis ;Wind power generation ;Design收稿日期:20062032200引言随着永磁电机向高效、高速、高功率密度、微型

5、化方向的发展,传统稀土永磁电机也表现出一定的局限性。如高速运转时,转子涡流损耗较大,效率不能保持较高水平;气隙磁密难以满足;脉动转矩相对较大等。一种新型磁体结构-halbach 磁体结构产生,其应用于永磁电机中具有很大优越性1:(1气隙磁场分布为正弦波,不再需要采取分布定子绕组或定、转子斜槽等措施来获得正弦波。(2很好的磁屏蔽作用,可减小转子导磁轭厚度,甚至可以省去转子铁心。(3功率密度大,可减小电机体积,提高电机功率密度。Halbach 磁体结构永磁电机有内转子、外转子两种结构2。内转子结构研究比较多,本文主要对外转子结构的永磁电机进行分析。1Halbach 磁体结构外转子电机模型以1台8极

6、外转子永磁电机为例进行分析。其电机模型如图1 。图1Halbach 结构外转子电机模型一般情况下,Halbach 磁体的磁化方法有两种:(1由预磁化的各向异性磁块制成磁环,每个磁块具有Halbach 场分布的磁化方向;(2将粘结的各方向同性磁体模塑成磁环,随后利用充磁装置在正弦分布磁场下进行脉冲充磁。本文采用第一种53Halbach 磁体结构的外转子永磁电机设计分析孙秋霞王法庆磁化方向的磁体结构进行分析。图1所示的Halbach 磁体结构,如果第1块磁体(x 轴正方向的充磁方向如图中所示,其矫顽力分量为:H x (1=H c ,H y (1=0,则其他磁体的矫顽力分量可用下式表示3。H x (

7、i =H c co s (1+p 360(i -12p n H y (i =H c sin (1+p 360(i -12p n(1式中,H c 为磁体矫顽力;p 为电机极对数,n 为每极磁体块数。2有限元分析有限元法是将偏微分方程看作某一泛函的欧拉方程,然后求取偏微分方程对应的泛函并构成条件变分问题,最后直接求解条件变分问题。为了计算方便,假设:1磁体按照halbach 结构充磁并在规定方向上完全充磁。2忽略端部效应,转子永磁体认为是无限长圆筒。3定子铁心认为无限渗透。选取整个电机为求解区域,在考虑磁饱和、忽略高次谐波、引入有效磁阻率的情况下,电机正弦时变场的微分方程为:99x V e 9 A

8、 z 9x +99y V e 9 A z9y =js A z - J zA z |s =s 1+s 2=0(2式中,A z 为向量磁位的Z 方向分量;为电导率;V e 是铁心有效磁阻率; J z 是不计涡流时的外加电流密度。对应于式(2所述非线性边值问题等价为条件变分问题,经过空间和时间离散化处理后,得出了一组非线性代数方程有限元方程,于是该非线性的连续场问题最终被归结为有限元方程的求解问题。对于Halbach 磁体结构的外转子永磁电机,其磁场分布M _为正弦分布,在极坐标下,其方程为3:M _+M r e _r +M e _=M co s p e _r +M sin p e _(3式中,M

9、_=B r /0,e _r 、e _为径向和周向单位矢量。Halbach 磁体结构的外转子永磁电机气隙磁场区域可由标量磁势得到。其标量磁势方程为: 2=929r 2+19r 9r +1r 29292=0(4为计算方便,假设r =1,则气隙磁场分布为:B r +B rem p (1-p R (1-p 0-R (1-p i r(p -1+R 2ps r(-p -1co s (pB +B rem p (1-p R (1-p 0-R (1-p i -r (p -1+R 2ps r(-p -1sin (p(5在上述理论基础上,本文对Halbach 磁体结构的外转子模型进行有限元分析的同时,对常规磁体外转

10、子模型也进行了分析。通过二者的对比,更加明显地看出halbach 磁体结构的优点。下面是通过磁场分析得到的磁力线分布图及其一个极下的径 向磁通密度。为了更清楚地看出其磁力线区别,图3和图4分别给出了普通磁极结构和Halbach 磁体结构一对极下的磁力线分布。由图3和图4比较可以清楚的看出Halbach 磁体结构有很好的磁屏蔽作用,这样可以大大减小转子轭部铁心的厚度,特别适合于外转子电机。由图5和图6可以看出Halbach 气隙磁密近似于正弦波,而普通磁铁结构却近似于方波。这就决定Halbach 磁体结构的电机比普通磁铁结构更适合作为发电机。图4Halbach 磁体结构磁力线分布图3Halbac

11、h 磁体结构外转子电机设计永磁电机设计计算的重点是空载气隙磁密和磁63微电机2006年第39卷第7期(总第154期 图5 普通磁体径向磁密图图6Halbach 磁体径向磁密图通。对常规磁体结构电机,如果已知磁体的面积、气隙大小、磁体厚度,就可以根据经验进行永磁磁密和磁通的计算,从而进行电机其它参数的设计计算。而对于halbach 磁体结构的外转子电机,没有现成的经验可查,因此其电磁设计应是场路结合的设计,即用电磁场方法计算气隙磁密和磁通,用路的方法进行电机的其它设计。其设计思路如图7 。图7Halbach 磁体结构电机设计流程4在风力发电中的应用前景Halbach 外转子电机目前渐渐成为国外研

12、究的热点,而在国内的研究应用却很少。目前国外已经在自供电低惯量合成轧辊和储能飞轮系统的高速电动/发电机中开始研究应用,但还未涉及风力发电方面的研究。由于Halbach 磁体能够在气隙中产生正弦波,而且减小转子磁轭厚度,有较高的功率密度,其在外转子永磁电机上有比普通磁体结构永磁电机更多的优越性,尤其适合于直接耦合的小型风力发电机。其具体优势有如下几方面4:(1作为风力发电机,由于其转速要求都比较低,这就要求增加电机的极对数来满足,外转子电机由于永磁体在外转子上,比内转子更容易增加极对数。(2作为外转子结构,旋转的圆筒形转子发挥了很多作用:支撑永磁体;为主磁通提供磁路;方便风轮与发电机的直接耦合;

13、外转子圆筒可以作为保护盖子,来减小环境危害对电机的损害。(3磁体结构气隙磁场分布更接近于正弦波,适合做发电机运行。(4磁体结构的自屏蔽作用,既减小了铁耗,又减小了电机转子铁轭的厚度,从而减小了转子重量。(5该磁体结构电机气隙磁密比一般永磁电机增大40%,可有效提高电机的功率密度。5结论本文建立了Halbach 磁体结构外转子电机模型;通过对Halbach 磁体结构和普通磁体结构进行比较,验证了Halbach 磁体结构的优势;同时给出了Halbach 磁体结构外转子电机的设计思路;最后分析了Halbach 磁体结构外转子永磁电机应用于直接耦合的风力发电机的潜在优越性。参考文献:1Zhu ,Z.Q

14、.Howe ,D.Halbach permanent magnet machines andapplications a review J .Electric Power Applications ,IEE Pro 2ceeddings 2Volume 148,Issue 4,J uly 2001.2Atallah ,K.;Howe ,D.Mellor ,P.H.Design and analysisof multi 2pole Halbach (self 2shielding cylinder brushless per 2manent magnet machinesJ .Electrica

15、l Machines and Drives ,1997Eight h International Conference on (Conf.Publ.No.444123Sept.1997.3Spooner , E.Williamson ,A. C.Direct coupled ,permanentmagnet generators for wind turbine applications J .Electric Power Applications ,IEE Proceedings 2Volume 143,Issue 1,J an.1996.4Chen ,J.Nayar ,C.V.Xu ,L.Design and finite 2element a 2nalysis of an outer 2rotor per