張 磊，李立博，林明耀

(1．國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003;2．中國(guó)石油錦西石化分公司，遼寧葫蘆島125001;3．東南大學(xué)，江蘇南京210096)

0引 言

軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)相比較其他結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)，歷史最為悠久，然而由于其制作工藝復(fù)雜而一度受到冷落［1］。隨著永磁材料的發(fā)展和工藝水平的提高，軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注［2-4］。

軸向磁場(chǎng)磁通切換永磁電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)AFFSPM)是一種新型的軸向磁場(chǎng)雙凸極永磁電機(jī)，相比較其他結(jié)構(gòu)的軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，具有軸向尺寸短、功率密度高，永磁材料利用率高等優(yōu)勢(shì)［5-6］，因而具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

本文首先介紹AFFSPM電機(jī)的結(jié)構(gòu)，然后采用解析與仿真相結(jié)合對(duì)轉(zhuǎn)子齒寬進(jìn)行優(yōu)化;最后，在此基礎(chǔ)上，對(duì)轉(zhuǎn)子齒形和厚度對(duì)電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)和定位力矩的影響進(jìn)行討論。

1 AFFSPM電機(jī)結(jié)構(gòu)

三相12/10極AFFSPM電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其轉(zhuǎn)子置于兩個(gè)定子中間，定子鐵心與沿切向充磁的永磁體交替放置;轉(zhuǎn)子采用卷繞式工藝疊壓而成，其上既無(wú)永磁體，也無(wú)電樞繞組。該電機(jī)的磁場(chǎng)呈對(duì)稱(chēng)分布，即由永磁體產(chǎn)生的磁勢(shì)沿定子鐵心、氣隙、轉(zhuǎn)子齒、氣隙、定子鐵心呈對(duì)稱(chēng)降落。

2轉(zhuǎn)子齒寬優(yōu)化

2．1 解析分析

所分析的AFFSPM電機(jī)為三相12/10極結(jié)構(gòu)，故其d軸和q軸之間的機(jī)械角度:

式中:βm和βe分別表示機(jī)械角度和電氣角度;pr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

當(dāng)轉(zhuǎn)子齒與定子齒右邊對(duì)齊，如圖2a中的虛線所示，電機(jī)氣隙磁通將達(dá)到最大，此時(shí)永磁體的利用率最高，設(shè)此時(shí)的轉(zhuǎn)子齒寬為Bro，則有:

式中:βpm為永磁體初始設(shè)計(jì)寬度;βr為轉(zhuǎn)子齒初始設(shè)計(jì)寬度;kr為轉(zhuǎn)子齒寬系數(shù)，定義如下:

將 βr=7．5°、βpm=7．5°和 βm=9°代入式(2)，可得 βro=10．5°，kr=1．4。

2．2有限元仿真

圖3為AFFSPM電機(jī)有限元仿真模型。在程序中，改變kr，保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，不同轉(zhuǎn)子齒寬時(shí)的永磁磁通、感應(yīng)電勢(shì)和定位力矩的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖3 AFFSPM電機(jī)有限元分析模型

從圖4中可以看出，當(dāng)kr＞1．4時(shí)，永磁磁通和感應(yīng)電勢(shì)的幅值均幾乎不變，且當(dāng)kr=1．4時(shí)，定位力矩的峰-峰值也最小。因此，仿真結(jié)果驗(yàn)證了解析分析所得的結(jié)論。

3轉(zhuǎn)子齒形與厚度對(duì)電機(jī)性能的影響

3．1 轉(zhuǎn)子齒形

AFFSPM電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒為扇形齒，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)子齒形

改變?chǔ)冉且愿淖冝D(zhuǎn)子齒形。發(fā)現(xiàn)當(dāng)θ為2．5°時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)的諧波畸變率最小，達(dá)到1．21%，且感應(yīng)電勢(shì)幅值隨θ的增大而增大;當(dāng)θ為7°時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)的諧波畸變率為5．22%，但此時(shí)的定位力矩峰-峰值最小。感應(yīng)電勢(shì)在θ為2．5°時(shí)的波形及其諧波分析如圖6所示，圖7 是 θ為0°、5°、6°和 7°時(shí)的定位力矩比較。

3．2 轉(zhuǎn)子厚度

轉(zhuǎn)子齒鐵心是磁的良導(dǎo)體，其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣，故永磁體產(chǎn)生的磁勢(shì)基本降落在電機(jī)氣隙中，降落在轉(zhuǎn)子齒上的磁勢(shì)可以忽略不計(jì)。因此轉(zhuǎn)子厚度的改變，對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的影響較小。通過(guò)仿真可知，隨著轉(zhuǎn)子厚度的增加，感應(yīng)電勢(shì)基本不變，定位力矩峰-峰值也基本不變，但波形變化明顯。轉(zhuǎn)子厚度為16．5 mm、17．5 mm 和 18．5 mm 時(shí)的定位力矩比較如圖8所示。

圖8 定位力矩隨轉(zhuǎn)子厚度的變化情況

4結(jié) 語(yǔ)

本文以三相12/10極AFFSPM電機(jī)為例，在闡明其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用全場(chǎng)域三維有限元法分析了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括齒寬、齒形和厚度對(duì)電機(jī)性能的影響，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子齒寬與轉(zhuǎn)子齒形對(duì)電機(jī)性能的影響明顯，而轉(zhuǎn)子厚度對(duì)電機(jī)性能的影響較小。

［1］ 唐任遠(yuǎn)．現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997．

［2］ Aybin M，Huang S，Lipo T A．Axial flux permanent magnet disc machines［R］．A review，Research Report，2004．

［3］ Chen Y C，Pilly P．Axial-flux PM wind generator with a soft magnetic composite core［J］．IEEE Transacions on Industry Applications，2005，32(8):231-237．

［4］ Letelier V B，González D A，Tapia J A．Cogging torque reduction in an axial flux machine via stator slot displacement and skewing［J］．IEEE Transacions on Industry Applicaions，2007，43(3):685-693．

［5］ Yong P，Zhu Z Q，Howe D，et al．Eddy current loss in the frame of a flux-switching permanent magnet machine［J］．IEEE Transactions on Magnetics，2006，42(10):3413-3415．

［6］ 花為，程明，諸自強(qiáng)．新型兩相磁通切換型雙凸極永磁電機(jī)的靜態(tài)特性研究［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21(6):70-77．