高速盤式永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)研究

劉 擘

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高速盤式永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及基本原理，闡述了高速盤式永磁電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝等，通過樣機(jī)試制和試驗(yàn)，表明設(shè)計(jì)方案合理可行的，為更大功率的高速盤式永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

高速 盤式永磁電機(jī) 研制

0 引言

盤式永磁電機(jī)又稱為軸向磁通永磁電機(jī)，其氣隙是平面形的，具有比徑向磁通電機(jī)更加豐富的拓?fù)浣Y(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(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，基本不存在渦流損耗，但電機(jī)體積將增大；有鐵心結(jié)構(gòu)的電機(jī)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(duì)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(gè)轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)慣量較大。按照相對(duì)兩個(gè)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(duì)于TORUS-NN型結(jié)構(gòu)，軛部較厚，增加了鐵耗；對(duì)于TORUS-NS型結(jié)構(gòu)，定子軛部較薄，但繞組端部較長(zhǎng)，銅耗較大。

（a）TORUS-NN型

（b）TORUS-NS型

圖1 外轉(zhuǎn)子軸向磁通電機(jī)

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(dòng)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(shí)，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(jī)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(yàn)證計(jì)算的精度和不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)制造了包括TORUS-NN型和TORUS-NS型兩種結(jié)構(gòu)的電機(jī)。

1 軸向磁通電機(jī)電磁計(jì)算及電磁場(chǎng)分析

軸向磁通永磁電機(jī)磁路較為復(fù)雜，按照路的方法不能準(zhǔn)確計(jì)算磁場(chǎng)分布情況，但是進(jìn)行三維場(chǎng)分析是非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力的，為了快速進(jìn)行多方案對(duì)比，同時(shí)又保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，我們?cè)陔姶欧桨赋醪接?jì)算的基礎(chǔ)上，將軸向磁通永磁電機(jī)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(jī)二維模型進(jìn)行分析，事實(shí)證明二維場(chǎng)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(jì)算

軸向磁通永磁電機(jī)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(jī)的機(jī)械角速度為Ω，在（r，θ）處dr長(zhǎng)的導(dǎo)體所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)可寫為：

因而每根有效導(dǎo)體的平均電動(dòng)勢(shì)為：

（2）

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

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

（4）

進(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)度

1.2 二維場(chǎng)分析

經(jīng)過電磁方案初步計(jì)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(dòng)，減小損耗，因此在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)磁鋼形狀進(jìn)行優(yōu)化。

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

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

圖4 TORUS-NN型電機(jī)的磁場(chǎng)分布圖

圖5 TORUS-NS型電機(jī)的磁場(chǎng)分布圖

可見，多盤結(jié)構(gòu)的軸向磁通電機(jī)采用TORUS-NN型磁路拓?fù)浣Y(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(duì)定子鐵心軛部尺寸要求較大。TORUS-NS型磁路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在對(duì)定子鐵心軛部尺寸要求較小，設(shè)計(jì)時(shí)磁負(fù)荷可以適當(dāng)提高。

圖6 TORUS-NN型電機(jī)空載氣隙磁密波形

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖7為該軸向磁通永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)總圖，主要部件包括機(jī)座、雙轉(zhuǎn)子盤、開槽盤式鐵心、端蓋、軸承等。電機(jī)兩側(cè)端蓋上分別布置了進(jìn)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(shí)起磁障作用。為了減少轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)諧波損耗，提高電機(jī)性能，我們對(duì)轉(zhuǎn)子永磁體形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了獨(dú)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(jī)的盤式鐵心是電機(jī)的關(guān)鍵部件，目前國內(nèi)大部分軸向磁通電機(jī)鐵心制造設(shè)備只能對(duì)單側(cè)沖槽硅鋼帶進(jìn)行卷繞，為了解決多盤電機(jī)的制造問題，我們?cè)O(shè)計(jì)采用了加工兩個(gè)單側(cè)沖槽盤，通過機(jī)械和粘接將兩個(gè)鐵心盤固定為一個(gè)整體鐵心，事實(shí)證明該方法是切實(shí)可行的。

圖7 軸向磁通總裝圖

因該軸向磁通永磁電機(jī)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(jì)的難點(diǎn)。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(diǎn)是磁鋼開孔對(duì)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(jiǎn)單，但是長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性不高，與粘接劑性能及電機(jī)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(jì)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(hù)。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(jī)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(jī)運(yùn)行的可靠性。

圖8 磁鋼固定示意圖

3 樣機(jī)制造及試驗(yàn)

設(shè)計(jì)的兩臺(tái)不同結(jié)構(gòu)的樣機(jī)于2007年11月完成了制造，圖9為樣機(jī)雙轉(zhuǎn)子盤實(shí)物圖，圖10為樣機(jī)的實(shí)物圖。由于該樣機(jī)轉(zhuǎn)速較高，且轉(zhuǎn)子為兩個(gè)盤分布在轉(zhuǎn)軸兩側(cè)，定轉(zhuǎn)子總裝之前，對(duì)轉(zhuǎn)子單盤作靜平衡，轉(zhuǎn)子雙盤作動(dòng)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(jì)為鍵聯(lián)接，在轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)后，拆下兩轉(zhuǎn)子盤，再與定子機(jī)座等其他結(jié)構(gòu)件進(jìn)行總裝。

圖9 電機(jī)雙轉(zhuǎn)子盤

圖10 軸向磁通樣機(jī)

電機(jī)試驗(yàn)在某所電機(jī)試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，采用ZY9500永磁直流電機(jī)為原動(dòng)機(jī)，3 kW軸向磁通永磁電機(jī)作6相發(fā)電機(jī)運(yùn)行，被試電機(jī)輸出與可調(diào)節(jié)電阻連接，采用電流互感器檢測(cè)相電流并用示波器檢測(cè)有效值，用示波器檢測(cè)電壓有效值。試驗(yàn)原理圖見圖11，圖12為試驗(yàn)機(jī)組實(shí)物圖。圖113為試驗(yàn)空載反電勢(shì)波形，圖14為試驗(yàn)負(fù)載電流波形。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明3 kW軸向磁通永磁電機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)滿足任務(wù)書要求，證明了電磁設(shè)計(jì)的正確性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性和生產(chǎn)制造的可行性。設(shè)計(jì)制造的兩臺(tái)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸完全一致，只是磁路布置的拓?fù)浣Y(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(jī)較NN結(jié)構(gòu)型式的電機(jī)效率高。該電機(jī)的研制為更大功率的軸向磁通永磁電機(jī)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

圖12 試驗(yàn)機(jī)組

[1] 唐任遠(yuǎn)，等．現(xiàn)代永磁電機(jī)—理論與設(shè)計(jì)．北京：機(jī)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。