劉 擘

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高速盤式永磁發(fā)電機的設(shè)計研究

劉 擘

（海軍駐武漢第七一二所軍事代表室，武漢430064）

本文介紹了盤式永磁電機的拓撲結(jié)構(gòu)及基本原理，闡述了高速盤式永磁電機的電磁設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝等，通過樣機試制和試驗，表明設(shè)計方案合理可行的，為更大功率的高速盤式永磁發(fā)電機的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

高速 盤式永磁電機 研制

0 引言

盤式永磁電機又稱為軸向磁通永磁電機，其氣隙是平面形的，具有比徑向磁通電機更加豐富的拓撲結(jié)構(gòu)，主要有無鐵心結(jié)構(gòu)和有鐵心結(jié)構(gòu)。無鐵心結(jié)構(gòu)的電機結(jié)構(gòu)簡單，基本不存在渦流損耗，但電機體積將增大；有鐵心結(jié)構(gòu)的電機轉(zhuǎn)矩密度大大增加，鐵心由雙面絕緣的冷軋硅鋼片帶料沖制卷繞而成。對有鐵結(jié)構(gòu)，又可分為以下4種：

1) 單定子、單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

這是一種單邊氣隙的結(jié)構(gòu)，由于只有一個轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)動慣量很小，但定、轉(zhuǎn)子之間存在軸向磁拉力。

2) 外轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

外轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，又稱TORUS型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量較大。按照相對兩個永磁體極性的不同，可以分為TORUS-NN型和TORUS-NS型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。對于TORUS-NN型結(jié)構(gòu)，軛部較厚，增加了鐵耗；對于TORUS-NS型結(jié)構(gòu)，定子軛部較薄，但繞組端部較長，銅耗較大。

（a）TORUS-NN型

（b）TORUS-NS型

圖1 外轉(zhuǎn)子軸向磁通電機

3) 內(nèi)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

內(nèi)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，這種結(jié)構(gòu)方式轉(zhuǎn)動慣量較小，也可分為NN型結(jié)構(gòu)和NS型結(jié)構(gòu)，NN型結(jié)構(gòu)由于充磁方向相反，存在很大的斥力，很難固定永磁體；采用NS型時，轉(zhuǎn)子軛較薄，永磁體固定較為方便。

(a)徑向截面 (b)定、轉(zhuǎn)子形狀

因次研制的3kW軸向磁通電機結(jié)構(gòu)為雙轉(zhuǎn)子單定子的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，為了充分驗證計算的精度和不同拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，我們設(shè)計制造了包括TORUS-NN型和TORUS-NS型兩種結(jié)構(gòu)的電機。

1 軸向磁通電機電磁計算及電磁場分析

軸向磁通永磁電機磁路較為復(fù)雜，按照路的方法不能準(zhǔn)確計算磁場分布情況，但是進行三維場分析是非常費時費力的，為了快速進行多方案對比，同時又保證計算的準(zhǔn)確性，我們在電磁方案初步計算的基礎(chǔ)上，將軸向磁通永磁電機中間平均直徑處沿圓周方向展開來建立軸向磁通永磁電機二維模型進行分析，事實證明二維場分析的精度可滿足工程要求。

圖3 結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 電磁計算

軸向磁通永磁電機的電樞繞組的有效導(dǎo)體在空間呈徑向輻射分布，如果只考慮單根導(dǎo)體，在該平面上的位置可用半徑r和極角θ來描述，氣隙磁密用平均氣隙磁密代表，可寫成的形式，如圖3所示，如電機的機械角速度為Ω，在（r，θ）處dr長的導(dǎo)體所產(chǎn)生的電動勢可寫為：

因而每根有效導(dǎo)體的平均電動勢為：

（2）

mi和mo分別內(nèi)徑和外徑，i為內(nèi)徑處的線負荷，令()代表半徑為半徑處的線負荷，那么

在（r，θ）處dr長的導(dǎo)體所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可寫為：

（4）

進而可得知總的轉(zhuǎn)矩和功率為：

(6）

主要尺寸關(guān)系如下：

（注：長度單位cm，av單位A/cm）

D：電樞的平均直徑。

L:電樞繞組導(dǎo)體的有效長度

1.2 二維場分析

經(jīng)過電磁方案初步計算已基本確定了定子盤的內(nèi)外徑、定子槽等結(jié)構(gòu)參數(shù)和繞組參數(shù)，因此在二維分析中確定磁鋼厚度和定轉(zhuǎn)子盤軸向尺寸。為了減小齒槽轉(zhuǎn)矩脈動，減小損耗，因此在設(shè)計時對磁鋼形狀進行優(yōu)化。

按照磁鋼優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，沿電機內(nèi)徑、平均直徑、外徑處展開分別建立二維模型，利用電機的對稱性，建模時只建立1/8模型。建模時采用等效的槽口形狀，因此計算結(jié)果的磁密波形較實際要差些。

圖4為求解的TORUS-NN型軸向電機平均半徑處2D磁密云圖，圖5為求解的TORUS-NS型軸向電機平均半徑處2D磁密云圖。圖6為TORUS-NN型電機平均半徑處的氣隙磁密波形，可見由于對磁鋼形狀進行了優(yōu)化，電機的氣隙磁密波形的正弦畸變率較小。

圖4 TORUS-NN型電機的磁場分布圖

圖5 TORUS-NS型電機的磁場分布圖

可見，多盤結(jié)構(gòu)的軸向磁通電機采用TORUS-NN型磁路拓撲結(jié)構(gòu)，使得定子鐵心容易飽和，為了保持合理的鐵耗水平，對定子鐵心軛部尺寸要求較大。TORUS-NS型磁路拓撲結(jié)構(gòu)在對定子鐵心軛部尺寸要求較小，設(shè)計時磁負荷可以適當(dāng)提高。

圖6 TORUS-NN型電機空載氣隙磁密波形

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖7為該軸向磁通永磁電機的結(jié)構(gòu)總圖，主要部件包括機座、雙轉(zhuǎn)子盤、開槽盤式鐵心、端蓋、軸承等。電機兩側(cè)端蓋上分別布置了進風(fēng)口和出風(fēng)口，以利于散熱，轉(zhuǎn)子盤也開設(shè)了通風(fēng)口，同時起磁障作用。為了減少轉(zhuǎn)子磁場諧波損耗，提高電機性能，我們對轉(zhuǎn)子永磁體形狀進行了優(yōu)化設(shè)計，采用了獨特的階梯型的磁鋼，由于轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)子磁鋼的階梯型式也起到一定的風(fēng)扇冷卻作用。

軸向磁通電機的盤式鐵心是電機的關(guān)鍵部件，目前國內(nèi)大部分軸向磁通電機鐵心制造設(shè)備只能對單側(cè)沖槽硅鋼帶進行卷繞，為了解決多盤電機的制造問題，我們設(shè)計采用了加工兩個單側(cè)沖槽盤，通過機械和粘接將兩個鐵心盤固定為一個整體鐵心，事實證明該方法是切實可行的。

圖7 軸向磁通總裝圖

因該軸向磁通永磁電機轉(zhuǎn)速較高，因此轉(zhuǎn)子盤上永磁體的固定是結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點。傳統(tǒng)的方法有兩種，一種是在磁鋼上面開孔，依靠螺釘固定磁鋼在盤上，這種方法可靠性較高，但缺點是磁鋼開孔對磁鋼性能有一定的影響；第二種方法是直接將永磁體粘接在轉(zhuǎn)子盤上，這種方法比較簡單，但是長期運行可靠性不高，與粘接劑性能及電機工作環(huán)境關(guān)系很大。由于采用優(yōu)化后的階梯型磁鋼，因此結(jié)合磁鋼的形狀，磁鋼固定的設(shè)計采用粘接結(jié)合固定永磁體兩端的方法，磁鋼徑向用不銹鋼外圈保護。圖8為磁鋼固定的示意圖。在制造的過程中，我們發(fā)現(xiàn)由于電機轉(zhuǎn)速較高，此種固定方式依然可靠性不高，因此增加了環(huán)氧封裝轉(zhuǎn)子盤的工藝，有效保證了電機運行的可靠性。

圖8 磁鋼固定示意圖

3 樣機制造及試驗

設(shè)計的兩臺不同結(jié)構(gòu)的樣機于2007年11月完成了制造，圖9為樣機雙轉(zhuǎn)子盤實物圖，圖10為樣機的實物圖。由于該樣機轉(zhuǎn)速較高，且轉(zhuǎn)子為兩個盤分布在轉(zhuǎn)軸兩側(cè)，定轉(zhuǎn)子總裝之前，對轉(zhuǎn)子單盤作靜平衡，轉(zhuǎn)子雙盤作動平衡，轉(zhuǎn)子盤上去重保證平衡精度，轉(zhuǎn)子盤與轉(zhuǎn)軸的聯(lián)接設(shè)計為鍵聯(lián)接，在轉(zhuǎn)子進行動平衡試驗后，拆下兩轉(zhuǎn)子盤，再與定子機座等其他結(jié)構(gòu)件進行總裝。

圖9 電機雙轉(zhuǎn)子盤

圖10 軸向磁通樣機

電機試驗在某所電機試驗室內(nèi)進行，采用ZY9500永磁直流電機為原動機，3 kW軸向磁通永磁電機作6相發(fā)電機運行，被試電機輸出與可調(diào)節(jié)電阻連接，采用電流互感器檢測相電流并用示波器檢測有效值，用示波器檢測電壓有效值。試驗原理圖見圖11，圖12為試驗機組實物圖。圖113為試驗空載反電勢波形，圖14為試驗負載電流波形。

4 結(jié)論

試驗結(jié)果表明3 kW軸向磁通永磁電機各項指標(biāo)滿足任務(wù)書要求，證明了電磁設(shè)計的正確性、結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、優(yōu)化設(shè)計的有效性和生產(chǎn)制造的可行性。設(shè)計制造的兩臺電機結(jié)構(gòu)尺寸完全一致，只是磁路布置的拓撲結(jié)構(gòu)不同，分別為TORUS-NN型和TORUS-NS型兩種結(jié)構(gòu)，NS結(jié)構(gòu)型式的電機較NN結(jié)構(gòu)型式的電機效率高。該電機的研制為更大功率的軸向磁通永磁電機的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

圖12 試驗機組

[1] 唐任遠，等．現(xiàn)代永磁電機—理論與設(shè)計．北京：機械工業(yè)出版社，1997.

Research and Experimentation of High Speed Axial Flux PM Motor

Liu Bo

（Naval Representatives Office in Wuhan Institutes of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

TM351

A

1003-4862（2017）03-0070-04

2016-12-15

劉擘（1980-），男，工程師。研究方向：艦船電氣。