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磁性永久磁铁的比较 机器

发布时间:2017/03/20 技术资料 文库 标签:MagnetNdFeB中国传动无接触机械电磁场磁场磁性齿轮磁耦合磁转矩磁铁磁阻磁齿轮科学稀土线圈能源高速浏览次数:457

电磁学研究进展。 133,177-198,2013
磁性永久磁铁的比较
机器
X.Li1
,K.-T. Chau2
,M. Cheng1,*和W. Hua1
南京东南大学电气工程学院
210096,China
大学电气与电子工程系
香港,香港,中国
摘要 – 随着磁齿轮的出现,研究人员
开发了一种新型永磁电机。这些
磁齿永磁电机巧妙地结合
概念的磁齿轮进入永磁机,
从而实现低速高扭矩直接驱动操作。在
本文定量比较了三种磁性齿轮
首先进行永磁机,从而揭示
其主要特点,优点,缺点和应用。原来,
磁齿轮的发展,包括转换
拓扑和现场调制拓扑。然后,三个
可行的磁齿轮永磁机被识别和
讨论。因此,分析相应的性能
并定量比较。结果和讨论形成了
低速高扭矩直接驱动研究的重要基础
系统。
1.引言
齿轮和齿轮箱广泛用于速度变化和扭矩
传输在各种工业应用。这非常出名
机械齿轮具有高的转矩密度,但是受到损害
一些固有的问题,例如接触摩擦,噪声和热,
同时振动和可靠性受到极大关注。相比之下
磁性齿轮(MG)具有降低声学的显着优点
噪声,最小振动,免维护,提高可靠性,
固有的过载保护以及输入之间的物理隔离
收到日期2012年8月8日,接受日期2012年10月15日,计划于2012年10月18日
178 Li et al。
和输出轴。然而,很长一段时间,MG已经收到
相对较少的注意,可能是由于转矩密度差
相对复杂的磁路[1,2]。
MG的概念可以追溯到开始
20世纪。在1913年,美国专利申请描述了一种
电磁齿轮应该是原始的拓扑结构[3]
但当时几乎没有人对它感兴趣。直到MG
Faus提出了类似于机械正齿轮的拓扑结构
在1941年[4],人们逐渐注意MGs。但是,低
利用率和性能较差的铁氧体永磁体(PM)
材料使其不可能在工业中广泛使用。直到
高性能钕铁硼(NdFeB)PM材料
发明于20世纪80年代,对MG的研究引起了极大的兴趣
再次。自然地,早期的MG拓扑被转换
机械齿轮拓扑。这些转化的MG简单地取代了
分别由PM的N极和S极的铁芯的槽和齿。
PM的低利用率是导致差的关键问题
转矩密度。
2001年,Atallah和Howe提出了一个高性能MG
命名为同轴磁齿轮(CMG),其原理
操作基于所产生的磁场的调制
通过两个PM转子经由铁磁极片[5,6]。不像
转化的MG,CMG具有较高的转矩密度,因为所有
PM同时有助于扭矩传递。基于
场调制原理,许多改进的CMG拓扑是
提出进一步获得更好的性能[7-12]。鉴于
同轴结构,CMG可以巧妙地与高速集成
外转子PM无刷电机组成复合材料
电机被命名为磁齿永磁体
(MGPM)机,可实现低速高扭矩驱动
同时提供高扭矩密度。 MGPM机有
吸引了广泛的关注应用于风力发电
直接驱动电动车。
本文的目的是定量评估这些可行性
MGPM机器,因此确定其关键特性,优点,缺点
和应用。在第2节中,
包括转换拓扑和场调制拓扑,
将进行。然后,第3节将专门讨论三个
可行的MGPM机器。因此,这些的性能
MGPM机器将进行定量分析和比较
最后,将在第5节中得出结论。
电磁学研究进展。 133,2013 179
2.磁齿轮的检查
2.1。转换磁齿轮
1980年,采用可变磁阻的多元件MG
提出了传递扭矩的原理[1]。但是,它不仅有
低扭矩密度和复杂性,但也遭受低效率
由于励磁损耗,磁芯损耗和电刷摩擦。 1987年,
Tsurumoto和Kikuchi提出了一种渐开线磁齿轮
图1,这是一种新的传输类型[2]。后来,
磁性蜗轮和斜齿轮也已经提出
文献[13,14]。磁性蜗杆的复杂布置
齿轮如图2所示。除了复杂性,所有这些
MG具有不良的扭矩密度,小于2kNm / m 3
,主要是由于
笨重的包装和低利用率的PM。
放弃复杂的磁性蜗轮和斜齿轮,
人们再次专注于分析和研究简单
平行轴MGs由Ikuta首先提出[15]。的
平行轴MGs包括两种不同的磁耦合类型:径向的
耦合和轴向耦合。图3显示了两种不同的拓扑结构
的径向耦合,而图4示出了轴向耦合拓扑。
在[16,17]中,参数对外部转矩的影响
详细地说明了速度比为1:1的平行轴MG
在有限元分析(FEA)的帮助下进行了研究。此外,
在[18,19],相应的二维分析计算
方法已经开发并表现出良好的协议
FEA结果。此外,Yao et al。也研究了磁耦合
图5所示的垂直轴MG的特性[20]。
虽然平行轴或垂直轴MG的配置
非常简单,它们的扭矩密度很低,使得它们不能被广泛使用
用过的。转换的MG的特定类型是磁转矩
其可用于在两个联轴器之间传递扭矩
两半以相同的速度[21]。有两种类型的磁转矩
耦合器,即轴向和同轴耦合器,如图6所示。
在[22,23]中,对两者进行轴向耦合器的参数分析
FEA和扭矩公式由Furlani建立[24]。在[25-27]中,
提出了同轴耦合器的耦合性能
用于产品设计和分析。具有高的优点
扭矩传递能力和过载保护,这些耦合器
可用于无密封泵,工艺和化工行业,以及
其他需要驱动和驱动部件的应用
分离。
参考机械行星齿轮的结构和
平行轴MG的工作原理,磁行星
齿轮(MPG)如图7所示已经提出和分析
[28]。除了平行轴MG的优点之外,
MPG具有三种传输模式的特点,高速减速
比率,以及高转矩密度。文献[28]指出
磁性行星齿轮的数量是改进的关键
MPG传递的扭矩。通过使用有限元分析,MPG与六
磁性行星齿轮表现出近100 kNm / m3的剪切应力
磁环齿轮[28]。因此,人们越来越感兴趣
MPG为各种应用,如风力发电和
电推进。
虽然已经描绘了各种转化的MG
重要的是与机械齿轮比较。表格1
总结转换的MG并将其与机械比较
正齿轮,重点在于扭矩密度。可以看出
表1.转化的MG与机械正齿轮的比较。
齿轮传动

操作
原理
扭矩
密度
[kNm / m3
]]
复杂性利用
的PM
机械
正齿轮
1.4-28000
机械
网格化
100-200无NA
多元素
MG [1]
24:1
变量
不情愿
3.96

电气
励磁
Involute
MG [2]
3:1
磁性
网格化
1.7

磁性蠕虫
齿轮[13]
33:1 0.74
磁偏斜
齿轮[14]
1.7:1 0.15
平行轴
MG [19]
4:11.6
没有
垂直轴
MG [20]
1:1 3
磁转矩
耦合器[26]
1:1 51.9高
MPG [28] 3:1 97.3低
所有转换的MG(除了磁转矩耦合器和MPG)
具有小于12kNm / m 3的低扭矩密度
,远远小于
由机械正齿轮提供。这样低的转矩密度
严重限制了其普及和应用。此外,
虽然磁转矩耦合器和MPG具有高转矩
密度,前者不能实现变速驱动,而
后者具有低的PM利用率。
2.2。场调制磁齿轮
2001年,Atallah和Howe提出了CMG,如图8所示,
这与转化的MG完全不同。它采用
PM在外转子和内转子上,并且具有铁磁极片
在两个转子之间。其操作依赖于使用
铁磁极片以调制由所产生的磁场
每个PM转子[5,6,29]。由于所有PM的贡献
对于扭矩传递,其表现出高的扭矩密度,即,
50-150kNm / m3
根据CMG的工作原理,Atallah et al。也
提出和分析其他两种形式的场调制MG:
线性MG [30,31]和轴向场MG [32],如图9和9所示
图10。线性MG可以具有传递的力
NdFeB磁体的密度超过1.7MN / m3。因此,何时
结合线性PM无刷电机[33],它可以提供显着的
在许多应用中的优势,如波浪发电[34]
和铁路牵引。类似地,轴向场MG是特别地
适用于输入和输出之间密封隔离的应用
输出轴,例如用于化学,食品,
和航空航天工业。据报道,转矩密度超过
70 kNm / m3
可以实现轴向磁场MG和轴向力
施加在高速和低速转子上相对较低[32]。
Atallah提出的CMG是径向安装的
磁化(RM)PM安装在外表面和内表面上
转子,因此称为CMGRM,如图11(a)所示。
与径向磁化排列不同,Halbach PM阵列
保持一些有吸引力的特点,即近正弦空气间隙通量
密度分布,强场强,自屏蔽性好
磁化[35,36]。所以,建和合并了有吸引力
将Halbach磁化(HM)阵列的特征引入CMG中形成
拓扑称为CMGHM,如图11(b)所示
提高CMG的性能[7,8]。但是,考虑到
离心力和机械应力,表面安装型
不适合高速或高扭矩传动。所以,拉斯穆森
et al。提出了一种辐条型[9],即内部PMs
内转子(IR)被切向磁化(TM),因此被称为
如图11(c)所示的CMGTM-IR,其可以提供通量浓度
效果和高机械可靠性。之后
设计的CMGTM-IR,CMG与内部PM在外部
转子(OR)被命名为CMGTM-OR如图11(d)[37]所示。
为了进一步提高机械完整性和节约PMs,在[10]
Liu et al。提出并分析了一种独特的拓扑结构
相同极性的磁化(SM)PM进入铁芯
外转子的圆周以简化制造
过程,同时保持扭矩密度,这被称为
CMGSM-OR如图11(e)所示。在[38]中,瞬态
通过采用有限分析和讨论CMG的性能
元素协同建模可以提供有效和准确的结果。
虽然已经提出了许多CMG拓扑,
文献中缺少定量比较。基于相同的键
参数如表2所示,总结了比较结果
可以看出,CMGHM是最有利的
扭矩密度和扭矩波动是主要关注的。然而,
CMGHM的磁化过程是如此困难,它是困难的
实施。此外,当传递的扭矩或旋转时
速度非常高,机械可靠性变得重要
排除表面安装的PM结构。
由于MG相对于机械齿轮具有许多优点
是进一步比较最常见的重要工作
CMGRM [6]具有类似输入的各种机械齿轮
速度,传输速率和输出转矩。表4显示
四种商用机械齿轮的比较结果
CMGRM在体积,重量,效率,初始成本和服务方面
生活。可以发现,CMGRM是更有利的时候
体积,重量和效率是主要关注的。此外,到期
无接触,CMGRM的使用寿命长得多
的机械齿轮。然而,由于PM的高成本,
CMGRM的初始成本高于机械的
齿轮。可能,免费维护CMGRM的优点
可以补偿成本差异。当然,有些方面
CMGs仍然需要改进,如热不稳定性
和PM的意外去磁以及不稳定性
瞬时传输速率和驱动转矩的波动。
3.MGPM机器的可行形式
随着电动直驱的需求不断增加,设计,
分析和实现低速高扭矩机更多
更有吸引力。近年来,许多高性能PM
无刷机如双凸显机,磁通逆转
机器,磁通切换机和横向场机
电磁学研究进展。 133,2013 187
被提出用于直接驱动系统[39-43]。但是,他们
不可避免地遇到由于低扭矩密度的问题
低速对电机设计的要求。值得注意的是
CMG可以方便地集成到PM无刷电机中形成
MGPM机,其中对直接驱动的低速要求
并可实现电机设计的高速要求
同时。这种类型的机器可以提供显着的优点
适用于风力发电,电动汽车和电动
船舶推进[44,45]。
自然地,可以组合外转子PM无刷电机
与上述任何种类的CMG形成MGPM机器。
根据气隙数量,现有MGPM机
可以被分类为三个可行的拓扑,如图12所示。
相对来说,三气隙MGPM机的概念
(图12(a))是如此简单,以至于它首先被提出
其特点已被广泛研究[46,47]。在本质上,
三气隙拓扑结构是外转子的简单组合
PM机与CMG,其中磁场的相互作用
嵌入式永磁电机和外齿轮之间的分配
微不足道。报告的结果表明,三气隙MGPM
机器可以在使用CMG时提供高扭矩密度
齿轮比在5:1和10:1之间,而高功率因数外转子永磁机可以保持[6]。但是,这种
机器有两个旋转部件和三个气隙,其机械
结构复杂,制造困难。
正如在CMG中已经提到的,由于引入
固定环,由齿轮上的PM产生的磁场
外转子可以调制成一系列空间谐波。通过
使用最高的异步高速旋转空间谐波
传输扭矩,如图12(b)所示的双气隙MGPM机,
已经提出[48,49],其具有比较简单的配置
三气隙拓扑。此外,由于相对静止
固定环和定子之间,它们之间的气隙可以
删除。因此,如图所示推导出所谓的单空气隙拓扑
在图12(c)。当铁磁极片的数量是
整数倍的定子齿数,特定的一个气隙
MGPM机可以获得并已经分析[50,51],其中
实际上类似于PM游标机[52,53]。和….相比
三气隙拓扑,双气隙和一气隙的操作
拓扑依赖于通量调制,即数量
定子电枢绕组的极对数应等于数
的调制谐波而不是PM极对的极对
在外转子上。
4. MGPM的性能比较
机器
虽然工作原理,建模和电磁场
分析了三种类型的MGPM机器
文献中缺少定量比较。基于
报告建模和数学分析,性能
这三台MGPM机器之间的比较可以提供
它们在直接驱动系统中的应用的重要基础。
为了公平比较,总外径,轴向长度
和三个MGPM机器的气隙长度相同
实际上是三气隙MGPM机的设计尺寸
[46]。同时,本节介绍的结果是基于
通过使用FEA来优化单个MGPM机器的设计。
相应的设计数据和结果总结在表5中。
图13和图14显示了空载磁场分布
以及位置处的相应径向通量密度波形
定子外径。定子绕组连接
如图15所示。可以看出,三相对称
绕组由27个双层线圈组成。每个线圈跨度覆盖4个槽
节距,极间距为槽间距的9/2。因此,
图14.定子外部的空载径向磁通密度波形
直径。 (a)三气隙拓扑。 (b)双气隙拓扑。
(c)单空气隙拓扑。
可以推导出额定转速下的负载EMF波形
图16.因此,齿槽转矩和满载外转子
输出转矩波形如图17和18所示进行模拟,
分别。
从表5可以看出,单气隙MGPM机
提供相同机器尺寸的最大额定功率。虽然
图16.空载EMF波形。 (a)三气隙拓扑。
(b)双气隙拓扑。 (c)单空气隙拓扑。
因为它需要在两个转子上安装三层PM
无疑增加了制造成本。同时,由于
去除一个气隙,一个气隙拓扑的总PM体积
比在双气隙拓扑中消耗的电流少约五分之一。
关于每质量的扭矩,三气隙拓扑几乎
与单气隙拓扑相同,超过25%
双气隙拓扑。然而,从每个PM的扭矩的角度来看
体积,单空气隙拓扑是绝对占主导地位,特别是面临
目前PM材料的成本高。
由于谐波磁场的操作依赖性,
双气隙和单气隙的空载定子 – 齿通量密度
拓扑结构非常低,如图14所示,导致了很多
更多的绕组匝数与相同的额定相电压相比
三气隙拓扑在相同的工作频率。所以一个深槽
结构必须在这两种类型的机器中采用以便
获得最佳功率输出,这不可避免地增加总数
铜消耗。
从图16可以看出,虽然采用相同
图18.满载时的外转子输出转矩波形
操作。
分布绕组连接如图15所示,空载
由内空气隙180°产生的三气隙拓扑的EMF
方波磁场如图14(a)所示接近120°
方形波形,而空气隙和空气隙的空载EMF
由调制谐波正弦曲线产生的拓扑
磁场是准正弦波形。因此,无刷
DC控制更适合于三气隙拓扑,
对于双气隙和单气隙,无刷AC控制是优选的
拓扑。
电磁学研究进展。 133,2013 193
从图17可以看出,齿槽转矩在
三个不同MGPM机器的外转子是非常低的。然而,
在三个间隙的内转子中的齿槽转矩的大小
拓扑约为1.7 Nm,相对较大,可以
影响机器性能。该内转子齿槽转矩为
主要由单向磁力引起的奇数
定子齿数。此外,一些重要的发现可以
观察:即内齿轮齿槽转矩的周期
转子或外转子仍然由三气隙拓扑决定
定子齿的最小公倍数和转子极数。
然而,在两个气隙和一个气隙的齿槽扭矩周期
拓扑与转子极的最小公倍数相关
数字和铁磁极片的最大公约数
和定子齿的数量。
显然,单气隙和双气隙之间的比较
拓扑表明由于改进的通量密度幅度
在定子齿中由于去除一个气隙而产生的扭矩
单空气隙拓扑的密度比其高25%以上
双气隙拓扑。然而,仅使用一个空气隙导致
定子中较高的局部磁饱和和较强的相互作用
在电枢场和高次调制谐波之间,
这增加了输出转矩波动,如图18所示。
同时,可以观察到三轴间的输出转矩
拓扑具有较大的波动,这主要是由于采用
120◦
方波电流控制。一般来说,为了实现
稳定的扭矩输出,复杂的控制算法如谐波
需要采用电流注入。
5.结论
在本文中,MG的发展,因此MGPM机器
已经过审查和讨论,重点是提供
性能分析,因此三者的定量比较
可行的MGPM机器。在MG的两个主要家族之间,
场调制CMG由于它们而优于转换的MG
更好地利用PM材料,因此具有更高的扭矩密度
以及它们与PM无刷电机集成的能力
以形成MGPM机器。在三个主要拓扑中
的MGPM机器,单气隙拓扑最适合
低速高扭矩直接驱动应用因其最高
扭矩密度,最小使用PM材料和最简单的结构。
然而,三气隙拓扑具有潜力
使用两个转子来执行用于混合动力的电动变速传动
汽车。
194 Li et al。
致谢
这项工作部分得到了一笔赠款(项目51177013)的支持
中国国家自然科学基金,赠款(项目
BK2010013)
省,中国和一个拨款(项目:2013CB035603)从973
中国计划。
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