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

团队介绍

荆，工程博士(后)，副教授，三峡大学电气与新能源学院，博士生导师。他的主要研究兴趣是磁传动装置的设计、新型特殊电机的开发和电机电磁场的计算。作为负责人或首席研究员，他参与了10多个研究项目，包括国家自然科学基金、湖北省自然科学基金、国家重大仪器子项目、中国博士后续项目和几个开放式基金项目。他在国内外学术期刊上发表了70多篇学术论文，如《电气和电子工程学报》、《中国电气工程学报》和《电气技术学报》。

龚俊，硕士研究生，主要从事电机磁传动设计和电磁场计算的研究。他发表的学术期刊论文已被收录在SCI/EI中。

导言:

本文采用二维精确子域分析法计算了哈尔巴赫阵列磁变速永磁无刷电机的气隙磁场。根据磁变速永磁无刷电机的结构特点，分别建立了磁齿轮和永磁无刷电机的两部分解析模型，并通过边界连续条件建立了求解场之间的联系。通过每个子区域的矢量磁势通量解析公式计算出电机的磁场、齿槽转矩、反电动势和电磁转矩；最后，它通过了原型空负载和负载测试。证明了该分析方法的正确性和有效性。

研究背景

永磁电机重量轻、体积小、结构相对简单，具有高效低损耗的明显优势。它们已经应用于现代科技生产和社会生产生活的各个领域。为了实现直驱永磁电机的低速大转矩传动，需要增加永磁体的极数和电机体积。尽管电机扭矩增加，但电机扭矩密度显著降低。由磁齿轮和永磁电机组成的复合电机具有高转矩密度。在电动汽车、风力发电机等低速大扭矩场合，这种复合电机将充分发挥其巨大优势。

应用解析法计算复合电机气隙磁场，可以有效解决用数值方法计算复合电机模型时气隙网格划分和旋转位置的缺陷，从而实现转子的自由旋转。

论文的方法与创新

图1是哈尔巴赫阵列磁变速永磁无刷复合电机的结构模型。复合电机由两部分组成:一个内部有外转子的永磁无刷电机；外面是一个磁性齿轮。复合电机的高速内转子由永磁电机转子和永磁电机高速转子通过不锈钢环连接而成。复合电机的低速外转子是电机的低速转子。

复合电机的低速和高速转子磁体分别采用径向磁化和霍尔巴赫阵列结构，利用霍尔巴赫阵列的磁场自屏蔽效应，使电机和磁齿轮的主磁通相互解耦。由于采用了霍尔巴赫阵列，转子铁心磁轭的磁场相对较弱，磁轭厚度可以适当减小，不仅节省了硅钢片材料，而且减小了复合电机的总体积。

图1复合电机模型

哈尔巴赫阵列具有磁聚焦效应，但需要正确的磁化角度才能获得正弦磁场。图2是内部电机的高速转子的一对永磁体的平面图，其中永磁体的每个磁极被均匀地分成3个小块，并且永磁体被依次磁化60度，箭头表示每个小块磁体的磁化方向。

图2磁体磁化示意图

图3是电枢反应磁场的气隙磁通密度的径向分量和切向分量。分析结果与有限元分析结果一致，准确描述了电枢反应磁场。该方法被证明是正确有效的。

图3电枢反应磁通密度

图4(a)和4 (b)分别示出了复合电机的齿槽转矩的计算结果和傅立叶分解结果。从图中可以看出，齿槽转矩周期为20°电角，幅值约为117.3 mN·m。两个齿槽转矩计算值的波形吻合较好。

图4齿槽转矩

图5示出了哈尔巴赫阵列磁变速永磁无刷电机测试平台。

图5原型和测试平台

原型的转移效率曲线如图6所示。从图中可以看出，当转速为15r/min，输出扭矩为40N·m、80N·m和120N·m时，传动效率低于90%。这是因为空负载损耗的比率相对较大，并且复合电机在低速和轻负载运行时的传输效率相对较低。随着输入功率的增加，空负载损耗的比例逐渐减小，效率逐渐提高，基本在91%以上。

图6传输效率

图7是复合电机在不同负载下功率因数的变化曲线。随着转速的增加，功率因数曲线呈下降趋势。与传输效率类似，负载较轻时功率因数较小，负载较大时功率因数较高。样机的最大功率因数可达0.905。

图7功率因数

同时，对哈尔巴赫阵列磁变速永磁无刷复合电机的转矩响应进行了测试。复合电机的输出转矩具有良好的动态响应性能，跟随速度快，转矩稳定，脉动小。

结论

本文用解析法计算了哈尔巴赫阵列磁变速永磁无刷复合电机的磁场，建立了哈尔巴赫阵列的磁化解析模型和各分区的矢量表达式。计算了复合电机内部气隙的磁密和齿槽转矩。解析计算波形与有限元法一致，比有限元法短。证明了该分析方法的有效性和正确性。同时，复合电机的主要电磁参数可以快速变化，达到优化预设计的目的。

从测试结果来看，样机效率可以达到90%以上，并且相对稳定。负载运行的最大功率因数可达到0.905。随着转速的增加，功率因数整体呈下降趋势。另外，哈尔巴赫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。该研究方法可为磁齿轮复合电机的设计提供有力的工具。

引用这篇文章

荆、、、曲荣海。[3]哈尔巴赫阵列磁变速永磁无刷电机的解析计算与设计[[]。电气技术杂志，2020，35 (5): 95962。京、、。曲荣海。哈尔巴赫阵列磁变速永磁无刷电机的解析计算与设计。中国电工学会学报，2020，35(5): 95962。

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