|
李鑫，林明耀
（東南大學電氣工程學院）
摘要：介紹了一種新型軸向磁場磁通切換型永磁電機，該電機由兩個外定子和一個內轉子組成，定轉子為雙凸極結構。電樞繞組和永磁體均設置在定子上，轉子由硅鋼片徑向疊壓的齒嵌在非導磁環上構成，切向磁化的永磁體建立電機的軸向磁場。該文以一臺10/12極樣機為例，運用三維有限元法(FEM)分析了電機的空載磁場，給出了電機內的磁場分布。分析結果為該種電機的設計奠定了基礎。
關鍵詞：軸向磁場；磁通切換；永磁電機；三維有限元；電磁場
中圈分類號：TM351 文獻標志碼：A 文章編號：1001-6848( 2010) 07-0029-03
O引 言
世界上第一臺電機是軸向磁場盤式永磁電機，限于當時的材料和工藝水平，盤式永磁電機未能得到進一步的發展。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展，盤式永磁電機重新得到重視和發展。盤式永磁電機以其優良的性能和較短的軸向尺寸，已廣泛應用于機器人、計算機外設、電動汽車、航天工程和風力發電等。傳統的盤式永磁電機都是將永磁體安裝在轉子上，為克服運轉時的離心力，通常需要特殊的加固裝置，該裝置還會引起永磁體散熱困難，而溫升可能導致永磁體產生不可逆退磁、降低電機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磁通切換型永磁( AFFSPM)電機。AFFSPM電機繼承了磁通切換型( FSPM)電機的結構特點，即定轉子為雙凸極結構，定子采用集中繞組，永磁體嵌在定共軛部，轉子上既無繞組也無永磁體，結構簡單。中間轉子結構，使得該電機擁有良好的散熱條件。
AFFSPM電機綜合了AFPM電機和FSPM電機的優點，軸向尺寸短，且功率密度和效率高，因而，AFFSPM電機具有良好的應用前景。AFFSPM電機的磁場呈三維分布，本文在介紹電機結構的基礎上，以一臺10/12極樣機為例，運用三維有限元法( FEM)分析該電機的磁場，給出電機內的磁場分布，為該種電機的設計和進一步研究奠定基礎。
1 AFFSPM電機的結構
圖1為一臺三相12/10極AFFSPM電機的展開圖，該電機由兩個定子和一個轉子組成。每一個定子由12個“U”型鐵芯、12塊永磁體和12個線圈構成，“U”型鐵芯和永磁體交替放置構成圓盤，兩側定子相對稱的永磁體勵磁方向相反；每個定子上的12個線圈分成三相，每4個線圈串聯構成一相，每個線圈繞在兩個相鄰不同的“U”型鐵芯的齒上，中間嵌入永磁體，永磁體沿著切充磁。轉子共有10個齒，稱為10個極，均勻設置在轉子非導磁圓環的外圓周上。
永磁體和電樞繞組均放置在定子上，轉子上既無永磁體又無繞組，結構簡單。定子繞組采用集中繞組，縮短了端部連接，減小了銅耗。中間轉子的結構，使得該電機擁有良好的散熱條件。
2 AFFSPM電機磁場計算與分析
在有限元分析前，作如下假設：電機磁場是穩態場，永磁體是被均勻磁化的，視繞組的磁特性與空氣相同，磁力線沿電機外表面閉合。在AFFSPM電機內部，磁位矢量滿足下列方程
式中，J為電流密度矢量，v為磁導率，s為電機的全部表面。
AFFSPM電機磁場呈現典型的三維分布，本文采用有限元軟件ANSYS對AFFSPM電機進行磁場分析。由于定子采用集中繞組，不能像傳統電機一樣只建立一個極的有限元棋型，必須建立幾個極或整個電機的有限元模型。為簡化邊界條件，建立AFF-SPM電機的完整模型，如圖2所示，邊界條件均為一類齊次邊界。定轉子采用六面體單元進行剖分，氣隙用四面體單元剖分，網格的大小由程序控制，總共約2 x 105個單元。
圖4是圖3中永磁磁場氣隙磁密在氣隙上半圓周的分布波形，計算氣隙磁密路徑如圖3中由A、B兩點確定的弧線，A、B兩點分別對應著圖4中的橫坐標0度和180度。由圖4可見，波形中第一個正向****值出現在氣隙圓周90度稍后，對應著圖中定子齒1和轉子齒1重合的區域，此時繞在定子齒l上線圈的永磁磁通極性為正，而第二個正向****值出現在氣隙圓周180度之前，對應著定子齒2和轉子齒2重合的區域。
采用同樣的方法可以分析轉子逆時針旋轉18度的情況，如圖5所示，其對應的磁場分布為圖6，計算氣隙磁密的路徑保持不變，由圖6可以看出，波形中第一個負向****值出現在氣隙圓周O度稍后，對應著圖5中定子齒4和轉子齒4重合的區域，而第二個負向****值出現在氣隙圓周90度之前，對應著圖5中定子齒3和轉子齒3重合的區域，此時繞在定子齒3上線圈（與繞在定子齒1上的是同一個線圈）的永磁磁通的極性為負，即實現了線圈繞組磁通極性的切換。
AFFSPM電機磁場呈三維分布，形成以下磁路，如圖8中虛線所示：從永磁體N極出發，經定子1的軛、齒，穿過氣隙1、轉子齒和氣隙2，經定子2的齒、軛和另一側的永磁體，再經過定子2的軛、齒，再穿過氣隙2、轉子齒和氣隙1，經定子l的齒、軛回到永磁體的s極。由于存在聚磁效應，AF．FSPM電機的氣隙磁密遠高于傳統盤式永磁電機。圖4、圖7為氣隙上半圓周的永磋磁密分布，從這三幅圖中可看出氣隙磁密分布與半徑有關，不同半徑處的氣隙磁密的幅值略有不同，但沿圓周分布的波形相似。AFFSPM電機為雙凸極結構，氣隙磁密沿圓周分布的波形與FSPM電機相似，與傳統盤式永磁同步電機相差較大。
3結論
本文介紹了一種新型軸向磁場磁通切換型永磁 ( AFFSPM)電機，運用三維有限元法分析了電機的空載磁場分布，分析結果表明：電機磁場呈現典型的三維分布，氣隙磁密分布與半徑有關，不同半徑處氣隙磁密的幅值略有不同，但沿圓周分布的波形相似。所得結果為AFFSPM電機的設計和進一步研究奠定了基礎。AFFSPM電機綜合了AFPM電機和FSPM電機的優點，既具有較短的軸向尺寸，又具有較高的功率密度和效率，有很好的應用前景。
|
