新型材料结构无轴承永磁电机输出特性影响分析

＊陈苗 年顺

（江西铜业集团有限公司德兴铜矿 江西 334200）

无轴承永磁电机（Bearingless Permanent Magnet Motor，BPMSM）是将永磁电机、磁悬浮电机及无轴承技术相融合的产物，由于具有无需润滑、无摩擦磨损、控制简单、体积小、能耗低等优点，无轴承永磁电机在大型矿山的采、选矿领域得到了广泛应用[1-3]。转子材料、结构的不同对电机性能影响很大，但目前大部分无轴承永磁电机的转子材料和结构性能较差，导致电机的输出特性不优[4]。随着对铁磁材料和结构研究的不断深入，越来越多新型材料和结构被应用至永磁电机中[5]。

近年来，瑞士、日本、美国等国家在无轴承永磁电机研究领域均取得了不小成就。虽然已经得到了广泛应用，但如何提高电机中永磁体的工作效率和利用率，使其具有最优性能一直是无轴承永磁电机研究的重点和新需求[6]。近年来，为了更加贴合这一需求，Halbach阵列开始应用至无轴承永磁薄片电机中[7-8]。随着对铁磁材料研究的不断深入，越来越多学者[8-11]通过研究不同材料对电机输出性能的影响，为制造样机时材料的选择提供依据。赵元胜等[12]将1J22、非晶合金等新型材料应用到永磁电机定子上，对比了1J22、非晶合金与传统定子材料在输出性能上的优异程度。

综合以上分析，结合稀土钕铁硼材料及Halbach阵列结构的优势和兼容性，设计出一种新型的无轴承永磁电机转子材料与转子组合，并通过ANSYS电磁仿真验证了该组合的有效性和优越性。

1.无轴承永磁电机的工作原理

本文研究的无轴承永磁电机跟常规永磁同步电机略有不同，除了基本的转矩输出外，该电机还能实现转子完全磁悬浮，其原理图如图1[13]。

图1 无轴承永磁电机原理图

其中，无轴承永磁电机轴向的三个自由度为被动悬浮，由于无轴承永磁电机转子的轴向长度远低于其径向长度，按照磁阻力定理，磁力线总会沿着磁路最小路径闭合，当转子偏离平衡位置时会受到一个与偏移方向相反的力，把转子拉回至中心。径向悬浮力产生的原理则是通过两个不同极对数的磁场共同作用，进而产生径向方向上的磁拉力。

2.新型永磁转子结构

（1）普通永磁转子结构。图2为永磁转子的Halbach阵列结构。

图2 Halbach阵列结构

如图2所示，Halbach阵列结构的永磁体块数量和布置方式更为复杂，相比于表贴式结构，Halbach阵列结构可以提高永磁体的效率和利用率，比如需要产生相同的磁场，Halbach阵列结构所消耗的永磁体材料更低，如此一来，便可以通过优化结构起到节省昂贵的稀土材料和提升电机性能的双向作用。

（2）新型Halbach阵列永磁转子结构。为了进一步提高永磁材料的利用率和无轴承永磁电机的悬浮性能，本文对Halbach阵列进行了优化。其设计过程如下所示。

①做一个圆与60°磁化永磁体相交；

②去除交点以外的两个角部分，将单个永磁体变成中间厚、边薄的形状；

③参数化扫描该圆的偏心距，找出气隙磁密度最大时的偏心距，即最优偏心距。参数化扫描结果如图3所示。

图3 参数化扫描结果

从图3可以看出，永磁体的最佳偏心距为5.5mm。因为气隙磁通密度曲线在偏心距为5.5mm时最接近正弦曲线，其峰值最小，证明均匀性较好。电机采用这种结构的转子，更容易控制，运行更稳定。因此，对Halbach阵列永磁转子进行60°磁化，并进行5.5mm偏心处理，获得新型Halbach阵列永磁转子结构如图4所示。

图4 新型Halbach阵列永磁转子

（3）仿真分析。为了凸显本文改进Halbach阵列永磁转子结构的优越性，在Ansoft Maxwell 2D中对常规表贴式永磁转子、常规Halbach阵列永磁转子和本文改进Halbach阵列永磁转子进行有限元电磁分析，并对它们的气隙磁场和径向悬浮力进行了对比。

①气隙磁场的对比分析

图5所示为三个不同永磁阵列结构的磁通线分布。

图5 三个不同永磁阵列结构的磁通线分布

从磁力线结果来看，一方面，Halbach阵列可以集中永磁体侧面磁场，可以得到一个正弦度高的磁场，这种情况对电机是非常有利的。另一方面，表贴式永磁体内部的磁通线明显不如Halbach阵列的密集，表明表贴式永磁转子需要使用转子铁芯，而Halbach阵列可以不需要永磁转子。

从图5（b）和5（c）对比可知，相对于常规Halbach阵列转子，其内侧的磁通线更靠近永磁体，即新型Halbach阵列的磁路为更短。这表明新型Halbach阵列可以大大降低转子磁轭的厚度，使电机整体更加紧凑。

上述对比分析说明本文中的新型Halbach阵列结构在输出性能具有一定优势，下一步将考虑转子永磁体材料对电机性能的影响。

3.不同永磁材料对电机性能的影响

通过第3节获得了最优永磁转子结构，但除此之外，转子中永磁体材料的选取也是影响电机性能的重要因素。为此，本文选取了铁氧体、铝镍钴、钕铁硼这三种材料作为转子永磁体材料进行对比分析，结构均采用第3节获得了最优永磁转子结构，仿真软件采用ANSYS，得到能表征电机性能的气隙磁密分布图如图6所示。

图6 三种不同材料的气隙磁密分布图

由图6对比可知，相较于铁氧体和铝镍钴这两种材料，同等体积下的稀土钕铁硼永磁体因为具有较高的磁能积，能提供最大气隙磁密度。其次是铁氧体，最低的是铝镍钴。说明稀土钕铁硼作为无轴承永磁电机的转子永磁体材料更优。

从图7中可以看出，径向悬浮力随着电流的增大而增大，且稀土钕铁硼永磁转子曲线斜率大于铁氧体永磁转子和铝镍钴永磁转子的曲线斜率。当通入绕组的电流一致时，稀土钕铁硼永磁转子所受的悬浮力是最大的以上说明对于无轴承永磁电机而言，同等体积下转子永磁体材料，选取稀土钕铁硼是最优的，能够提供最优的悬浮性能。

图7 三种不同材料的悬浮力对比

鉴于此，将稀土钕铁硼永磁材料应用至电机中，与新型Halbach阵列相结合，可以进一步提高电机的转矩性能和悬浮性能。

4.结论

本文在考虑无轴承永磁电机的特殊性的基础上，综合Halbach阵列结构与稀土永磁材料的优点，设计了一种新型的无轴承永磁电机转子材料与转子组合，并通过ANSYS电磁仿真验证了该组合的有效性和优越性。结果表明，本文设计的新型材料、结构可以显著提高无轴承永磁电机的悬浮性能，新型Halbach阵列转子结构性能最优，且进一步提高了工作效率和永磁体利用率。