新型軸向磁場(chǎng)磁通切換型永磁電機(jī)磁場(chǎng)三維有限元分析
李鑫，林明耀
（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京210096）
摘要：介紹了一種新型軸向磁場(chǎng)磁通切換型永磁電機(jī)，該電機(jī)由兩個(gè)外定子和一個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)子組成，定轉(zhuǎn)子為雙凸極結(jié)構(gòu)。電樞繞組和永磁體均設(shè)置在定子上，轉(zhuǎn)子由硅鋼片徑向疊壓的齒嵌在非導(dǎo)磁環(huán)上構(gòu)成，切向磁化的永磁體建立電機(jī)的軸向磁場(chǎng)。該文以一臺(tái)10/12極樣機(jī)為例，運(yùn)用三維有限元法(fem)分析了電機(jī)的空載磁場(chǎng)，給出了電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)分布。分析結(jié)果為該種電機(jī)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：軸向磁場(chǎng)；磁通切換；永磁電機(jī)；三維有限元；電磁場(chǎng)
中圈分類(lèi)號(hào)：tm351 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848( 2010) 07-0029-03
o引 言
世界上第一臺(tái)電機(jī)是軸向磁場(chǎng)盤(pán)式永磁電機(jī)，限于當(dāng)時(shí)的材料和工藝水平，盤(pán)式永磁電機(jī)未能得到進(jìn)一步的發(fā)展。隨著永磁材料性能的不斷提高和完善以及電力電子器件的發(fā)展，盤(pán)式永磁電機(jī)重新得到重視和發(fā)展。盤(pán)式永磁電機(jī)以其優(yōu)良的性能和較短的軸向尺寸，已廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外設(shè)、電動(dòng)汽車(chē)、航天工程和風(fēng)力發(fā)電等。傳統(tǒng)的盤(pán)式永磁電機(jī)都是將永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上，為克服運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的離心力，通常需要特殊的加固裝置，該裝置還會(huì)引起永磁體散熱困難，而溫升可能導(dǎo)致永磁體產(chǎn)生不可逆退磁、降低電機(jī)出力和減小功率密度等。
本文介紹丁一種永磁體置于定子的新型軸向磁場(chǎng)磁通切換型永磁( affspm)電機(jī)。affspm電機(jī)繼承了磁通切換型( fspm)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即定轉(zhuǎn)子為雙凸極結(jié)構(gòu)，定子采用集中繞組，永磁體嵌在定共軛部，轉(zhuǎn)子上既無(wú)繞組也無(wú)永磁體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。中間轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使得該電機(jī)擁有良好的散熱條件。
affspm電機(jī)綜合了afpm電機(jī)和fspm電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，軸向尺寸短，且功率密度和效率高，因而，affspm電機(jī)具有良好的應(yīng)用前景。affspm電機(jī)的磁場(chǎng)呈三維分布，本文在介紹電機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以一臺(tái)10/12極樣機(jī)為例，運(yùn)用三維有限元法( fem)分析該電機(jī)的磁場(chǎng)，給出電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)分布，為該種電機(jī)的設(shè)計(jì)和進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。
1 affspm電機(jī)的結(jié)構(gòu)
圖1為一臺(tái)三相12/10極affspm電機(jī)的展開(kāi)圖，該電機(jī)由兩個(gè)定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子組成。每一個(gè)定子由12個(gè)“u”型鐵芯、12塊永磁體和12個(gè)線圈構(gòu)成，“u”型鐵芯和永磁體交替放置構(gòu)成圓盤(pán)，兩側(cè)定子相對(duì)稱(chēng)的永磁體勵(lì)磁方向相反；每個(gè)定子上的12個(gè)線圈分成三相，每4個(gè)線圈串聯(lián)構(gòu)成一相，每個(gè)線圈繞在兩個(gè)相鄰不同的“u”型鐵芯的齒上，中間嵌入永磁體，永磁體沿著切充磁。轉(zhuǎn)子共有10個(gè)齒，稱(chēng)為10個(gè)極，均勻設(shè)置在轉(zhuǎn)子非導(dǎo)磁圓環(huán)的外圓周上。
永磁體和電樞繞組均放置在定子上，轉(zhuǎn)子上既無(wú)永磁體又無(wú)繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。定子繞組采用集中繞組，縮短了端部連接，減小了銅耗。中間轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，使得該電機(jī)擁有良好的散熱條件。
2 affspm電機(jī)磁場(chǎng)計(jì)算與分析
在有限元分析前，作如下假設(shè)：電機(jī)磁場(chǎng)是穩(wěn)態(tài)場(chǎng)，永磁體是被均勻磁化的，視繞組的磁特性與空氣相同，磁力線沿電機(jī)外表面閉合。在affspm電機(jī)內(nèi)部，磁位矢量滿足下列方程
式中，j為電流密度矢量，v為磁導(dǎo)率，s為電機(jī)的全部表面。
affspm電機(jī)磁場(chǎng)呈現(xiàn)典型的三維分布，本文采用有限元軟件ansys對(duì)affspm電機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)分析。由于定子采用集中繞組，不能像傳統(tǒng)電機(jī)一樣只建立一個(gè)極的有限元棋型，必須建立幾個(gè)極或整個(gè)電機(jī)的有限元模型。為簡(jiǎn)化邊界條件，建立aff-spm電機(jī)的完整模型，如圖2所示，邊界條件均為一類(lèi)齊次邊界。定轉(zhuǎn)子采用六面體單元進(jìn)行剖分，氣隙用四面體單元剖分，網(wǎng)格的大小由程序控制，總共約2 x 105個(gè)單元。
圖4是圖3中永磁磁場(chǎng)氣隙磁密在氣隙上半圓周的分布波形，計(jì)算氣隙磁密路徑如圖3中由a、b兩點(diǎn)確定的弧線，a、b兩點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)著圖4中的橫坐標(biāo)0度和180度。由圖4可見(jiàn)，波形中第一個(gè)正向****值出現(xiàn)在氣 |
