基于充磁方向相反的双转子电机磁场问题研究

陈 纯，张 帆

（1.长春理工大学机电工程学院，吉林长春 130022；2.中石化中原石油工程有限公司，河南濮阳 457164）

基于充磁方向相反的双转子电机磁场问题研究

陈 纯1，张 帆2

（1.长春理工大学机电工程学院，吉林长春 130022；2.中石化中原石油工程有限公司，河南濮阳 457164）

双转子永磁电机由内外两个电机构成，其内外电机磁场之间会互相干扰。通过改变定子轭部厚度，可以改变内外电机磁场之间的耦合情况。分析了电机内部磁路结构，通过有限元软件，研究了在内外永磁体充磁方向相反时，电机磁场互不干扰的定子轭部厚度问题，进一步优化了电机结构。

双转子电机；定子；磁场解耦

0 引言

为了提高电机的工作性能，充分利用电机内部空间，Ronghai Qu博士和T.A.Lipo博士于2003年提出了一种新型特殊结构电机——双转子永磁结构电机。通过一系列的研究表明，双转子电机的输出转矩密度明显高于传统单转子电机。径向磁场双转子永磁电机因其独特的机械结构而具有诸多优点，可以运用在水下航行器螺旋桨推进系统和风力发电系统等特殊场合中[1-3]。

1 磁场耦合分析

双转子电机可以看作是由两台永磁电机结合在一起，其内部结构中内外转子共用一个定子，内外两台电机之间必然存在着磁场的耦合。其内部结构图如图1所示。

图1 电机内部结构示意图

双转子电机中存在着内外两层气隙，如果内电机的磁场进入外气隙中，或者外电机的磁场进入到内气隙中，就会互相干扰从而影响电机性能。在所研究的双转子电机结构中，理论上只要定子厚度一定，内外永磁体产生的磁场就会通过各自的气隙通过定子铁芯找到各自的磁场回路，而不会进入另一个气隙中对其磁场造成干扰。而如果把定子轭部厚度值设计的很大，电机内外永磁体产生的磁场就不会互相干扰。但是定子轭部厚度过大，就会增加电机的整体尺寸，甚至会失去双转子电机的两台电机合二为一的结构紧凑的特性。

2 有限元分析

本文建立了二维仿真模型，用Ansoft Maxwell 15.0仿真分析软件在电机空载时对电机内部内外永磁体充磁方向相反时进行了分析。电机为3相8极24槽永磁同步电动机[4]，内转子永磁体外径29.6 mm，内外气隙均为0.7 mm。保持内转子铁心尺寸和内电机永磁体尺寸不变，改变定子和外转子尺寸结构。内外永磁体均采用稀土永磁材料NdFe35，定子铁芯和转子铁芯均采用硅钢片D21_ 50，定子绕组为单层环形绕组。初始值取定子轭部厚度为7.4 mm。

仿真分析中忽略电机漏磁场的影响，电机内部磁场全部由永磁体产生。初始值定子轭部厚度为7.4 mm条件下内外电机气隙磁密值如图2所示。

图2 电机内外气隙磁密曲线

为了减小内外电机磁场之间的耦合，进一步研究定子轭部厚度与内外磁场之间的关系，在保持内转子铁芯尺寸和内电机永磁体尺寸以及内外电机气隙长度不变的前提下，相应改变定子轭部厚度和外转子尺寸对电机进行分析。数据分析结果如图3所示。从图3中可以看出，充磁方向相反时，随着定子厚度的增加，内电机气隙磁密值逐渐增大，当达到一定值时，内转子气隙磁密幅值不再变化；而外电机气隙磁密值逐渐减小，当达到一定值时，外气隙磁密幅值也不再变化。这是因为当定子厚度较小时，内电机永磁体所产生的磁场与外电机永磁体产生的磁场发生了耦合，在外气隙中互相叠加，使外电机磁场增大；当定子厚度增加时，内电机磁场与外电机磁场耦合较少，通过定子与内电机永磁体的磁通回路数增多，因而内气隙的磁密增加，外气隙的磁密减小；继续增加定子厚度，内外电机产生的磁场将会通过定子形成各自的磁通回路，而不会互相干涉，内外气隙磁密幅值维持不变。因而继续增加定子轭部厚度对内外电机气隙磁密的增加没有明显作用。此时，内外磁场不再互相干涉。内外电机磁力线分布如图4所示。

图3 外电机气隙磁密幅值随定子轭部厚度的变化

图4 充磁方向相反磁力线图

3 结论

本文对相反充磁方向的径向磁场双转子永磁电机进行了静态磁场分析，重点研究了改变定子轭部厚度对电机内部磁场耦合的影响。结果表明，当定子轭部厚度增加时，可以实现内外电机磁场之间的解耦。这对于提高材料利用率和充分利用电机内部空间是非常有利的。

［1］Qu R，Lipo T A.Dual-ro⁃tor，radial-flux，toroidal⁃ly wound，permanent-mag⁃net machines［J］.Indus⁃ try Applications，IEEE Transactions on， 2003，39（6）：1665-1673.

［2］Qu R， Lipo T A.Design and optimization of dual-ro⁃tor， radial-flux， toroidally-wound， permanent-mag⁃net machines［C］.//Industry Applications Confer⁃ence，38th IAS Annual Meeting.Conference Record of the IEEE，2003：1397-1404.

［3］曹江华，杨向宇，姚佳.双转子永磁同步风力发电机设计与应用［J］.微电机，2008，41（2）：65-66.

［4］徐衍亮，王法庆，冯开杰，等.双转子永磁电机电感参数，永磁电势及齿槽转矩［J］.电工技术学报，2007，22（9）：40-44.

Study of the Magnetic Field of the Dual-Rotor Permanent-Magnet Machine Based on the Opposite Magnetization Direction

CHEN Chun1，ZHANG Fan2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Changchun University of Science and Technology Changchun130022，China；2.Sinopec Zhongyuan Petroleum Engineering Co.，Ltd，Puyang 457164，China）

Dual-rotor permanent-magnet motor consists of both inner and outer motors，the magnetic field between inner rotor and outer rotor interferes with each other.By changing the thickness of the stator yoke，the coupling problem can be changed.This paper analyzes the structure of the magnetic field inside the motor，studies the thickness problems of stator yoke between the inner and outer motor when the permanent magnet of the inner and outer motor in the opposite direction of magnetization without interference by using the finite element software.This achieves the purpose to optimize the structure of the motor.

DPRM；stator yoke；magnetic field decoupling

TM301.4+4

：A

：1009－9492(2014)11－0037－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.010

陈 纯，男，1991年生，湖北天门人，硕士研究生。研究领域：机电系统控制与技术。

(编辑：阮 毅)

2014－05－16