軸向磁場無鐵心永磁電機電磁力及轉子機械強度的研究

曹永娟， 黃允凱， 金 龍

(1.東南大學電氣工程學院，江蘇南京 210096;

2.南京信息工程大學電氣工程系，江蘇南京 210044)

軸向磁場無鐵心永磁電機電磁力及轉子機械強度的研究

曹永娟1，2， 黃允凱1， 金 龍1

(1.東南大學電氣工程學院，江蘇南京 210096;

2.南京信息工程大學電氣工程系，江蘇南京 210044)

軸向磁場永磁電機因其結構緊湊、功率密度高等優(yōu)點獲得越來越多的應用，對于無鐵心軸向磁場永磁電機，轉子盤體之間的軸向電磁力有可能會引起轉子的變形，從而影響電機運行的可靠性。研究了軸向磁場無鐵心永磁電機的電磁場及轉子的機械強度，利用有限元分析方法和解析方法計算了電機兩個外轉子之間的電磁力。將該電磁力作用于轉子盤上，利用結構有限元分析方法仿真分析轉子盤體應力及最大變形，為轉子結構的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

軸向磁場;無鐵心;軸向電磁力;應力分析

0 引言

軸向磁場永磁同步電機因其較高的轉矩密度和良好的動態(tài)響應特性，在各種驅動、伺服和控制領域得到了迅速推廣和應用［1-2］，軸向磁場永磁同步電機有多種結構形式，按照定轉子數(shù)量和相對位置可大致分為4種:單定子單轉子結構，雙轉子單定子結構，雙定子單轉子結構及多盤式結構［3］。為了克服單邊磁拉力，減少漏磁，本文研究的是一種中間定子結構，其特點是由雙轉子和單定子組成的雙氣隙結構，電機結構對稱，兩側的永磁體N-S對等放置，此結構的磁通不需要利用中間定子鐵心來形成閉合磁路，因此定子鐵心厚度可以非常小，由此衍生出軸向磁場無鐵心永磁電機。該電機由于定子無鐵心無槽，所以沒有齒槽轉矩和定子鐵心損耗，因此具有更高的效率;而且重量更輕，功率密度更高。

很多文獻已經(jīng)報道了軸向磁場無鐵心永磁電機的相關研究［4-7］，主要集中在電磁分析、性能計算及優(yōu)化設計等方面。在對軸向磁場無鐵心永磁電機優(yōu)化設計過程中，以功率密度為優(yōu)化目標，如果不考慮機械強度的限制，僅從電磁場角度優(yōu)化設計，設計的結果可能使轉子盤體很薄。在電機運行過程中，轉子盤體受到軸向電磁力的作用，在該力的作用下，很薄的盤體將產(chǎn)生軸向變形，變形過大將影響電機的正常運行。因此，在軸向磁場無鐵心永磁電機優(yōu)化設計過程中，準確分析轉子盤體受力及最大變形非常重要。本文利用有限元分析方法和解析方法對軸向磁場無鐵心永磁電機的電磁場、軸向電磁力進行分析計算;利用結構有限元分析方法對轉子盤體應力分布及變形進行研究，為軸向磁場無鐵心永磁電機的優(yōu)化設計提供保障和依據(jù)。

1 軸向電磁力的分析與計算

1.1 利用有限元方法計算軸向電磁力

軸向磁場永磁電機氣隙磁場在定轉子結構上產(chǎn)生軸向電磁力，引起電機結構振動并產(chǎn)生噪聲，即電磁噪聲。為了計算軸向磁場永磁電動機氣隙中的電磁力，首先應計算軸向磁場永磁電動機的電磁場分布，軸向磁場永磁電動機磁場分布比較復雜，加上軸向磁場電機結構的特殊性，使得分析電磁場時不能像常規(guī)徑向電機那樣在電機主軸上截取某一平面分析二維電磁場，而必須從三維場的角度考慮問題。

有限元分析軟件ANSOFT Maxwell 3D通過建立電機三維模型，定義材料屬性，設定求解邊界，網(wǎng)格劃分等步驟，可自動求解氣隙磁密，轉矩及電磁力等參數(shù)。

圖1所示為所研究的軸向磁場無鐵心永磁電機的三維模型，轉子盤上的扇形永磁體由高磁能積、高矯頑力的釹鐵硼所構成，對其軸向充磁，相對兩塊極性相反，同一盤體上相鄰兩塊極性也相反，磁通從一塊轉子盤1上永磁體N極出發(fā)，經(jīng)過中間無鐵心定子，到達另一塊轉子盤2上的S極，N極，最后回到轉子盤1上的S極，如此形成一個閉合磁路。無鐵心定子繞組由三相分布繞組所構成，通過環(huán)氧樹脂固化。

圖1 軸向磁場無鐵心永磁電機三維模型

電機主要的尺寸如表1所示。

表1 電機主要尺寸參數(shù)

通過ANSOFT軟件的后處理功能，氣隙磁密波形如圖2所示，最大磁密為0.63 T。在轉子盤上設置參數(shù)“force”，后處理中可以得到如下結果:

從結果表達式(1)中，可以看出Z軸分量為電磁力的主要分量，即電磁力主要是沿著軸向方向的。

圖2 氣隙磁場密度分布波形

1.2 利用解析公式計算軸向電磁力

軸向電磁力也可以由解析公式計算得到［4］:

式中:Bmg——氣隙磁密最大值;

μ0——氣隙磁導率。

從圖2可看出，樣機的最大磁密值為0.63 T。

SPM為永磁體所占有效面積:

式中:αi——極弧系數(shù)，本樣機取為 0.8。

比較計算結果(1)和(4)，可以看出，通過解析公式計算出來的結果與利用有限元軟件后處理功能計算出來的結果是一致的。

2 轉子盤體機械強度分析

電機關鍵零部件的機械強度及結構剛度的分析計算是電機結構設計的一個重要部分，是保證電機安全運行的一個重要手段。轉子盤體是軸向磁場無鐵心永磁電機的核心部件，其機械強度的優(yōu)劣直接影響軸向磁場電機的正常運行及可靠性。在保證轉子盤體剛度、強度的基礎上應盡量減小其軸向長度，縮小電機的整體體積，增加電機的功率密度，這是電機優(yōu)化設計的任務之一。在分析軸向電磁力等基礎上，運用ANSYS有限元分析軟件對轉子盤體的應力和變形分布規(guī)律進行分析研究，為轉子結構的優(yōu)化設計提供依據(jù)，對提高無鐵心盤式永磁電機的功率密度具有重要意義［4］。

為了觀察由于軸向磁拉力所引起的最大應力和變形，本文利用ANSYS有限元分析軟件中的靜態(tài)有限元分析功能來實現(xiàn)分析。轉子盤體的材料特性如下:彈性模量為200 GPa，泊松比為0.27。ANSYS軟件可以按用戶的需要自動生成各種網(wǎng)格，本計算選取20節(jié)點三維六面體單元SOLID92，對模型進行智能網(wǎng)格劃分;然后將大小為1 550 N的軸向磁拉力施加于轉子盤體表面所有節(jié)點上，對其進行靜態(tài)有限元分析，如圖3所示。

圖4顯示出了所分析樣機的應力分布及變形，從圖4可以看出，在1 550 N軸向磁拉力作用下，6 mm厚的轉子盤體最大變形為0.067 8 mm，最大應力為492.908 kPa，可滿足轉子盤體機械強度的要求。

3 結語

利用有限元分析軟件，建立了無鐵心軸向磁場永磁電機的三維模型，通過后處理功能，獲得電機氣隙磁通密度及軸向磁拉力;利用解析計算方法，也可獲得軸向磁拉力大小;經(jīng)過對比分析，有限元方法和解析方法求解結果一致。

利用ANSYS有限元分析軟件，建立軸向磁場無鐵心永磁電機轉子盤體三維模型，施加相應的軸向磁拉力，對其進行結構分析，得出整個轉子盤體的應力及變形分布，為轉子結構的優(yōu)化設計提供了依據(jù)，對提高無鐵心軸向磁場永磁電機的功率密度具有重要意義。

［1］EASTHAM J F，PROFUMO F，TENCONO A，et al.Novel axial flux machine for aircraft drive:Design and modeling［J］.IEEE trans on magnetics，2002.

［2］CHAN T F.An axial-flux permanent-magnet synchronous generator for a direct-coupled wind-turbine system［J］.IEEE trans on energy conversion，2007，22(1):86-94.

［3］AYDIN M，HUANG S，LIPO T A.Torque quality and comparison of internal and external rotor axial flux surface-magnet disc machines［J］.IEEE transactions on industrial electronics，2006，53(3):822-830.

［4］GIERAS J F，WANG R J，KAMPER M J.Axial fulx permanent magnet brushless machines［J］.Springer Science+Business Media B V，Norwell，2008:153.

［5］JAVADI S，MIRSALIM M.A coreless axial-flux permanentmagnet generator for automotive applications［J］.IEEE transactions on magnetics，2008，44(12):4591-4598.

［6］LOMBARD N F，KAMPER M J.Analysis and performance of an ironless stator axial flux PM machine［J］.IEEE transactions on energy conversion，1999，14(4):1051-1056.

［7］唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

Research on Axial Magnetic Force and Rotor Mechanical Stress of an Air-Cored Axial-Flux Permanent Magnet Machine

CAO Yongjuan1，2，HUANG Yunkai1，JIN Long1
(1.School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China;
2.Department of Electrical Engineering，Nanjing University of Information Science＆ Technology，Nanjing 210044，China)

Due to its compact construction and high power density，the axial-flux permanent-magnet(AFPM)machine with coreless stator has obtained more and more attention and interest from researchers.For an AFPM machine with coreless stator，the axial magnetic attraction force may cause the rotors'deflection and affect the machine's reliability.The magnetic field and the rotor mechanical strength of a coreless stator AFPM machine were studied.Finite-element method and analytic method were both used to calculate the axial attraction magnetic force between the two rotor discs.Structure finite-element analysis was used to simulate the maximum stress and deflection due to the axial magnetic force.The research was very significant to the power density elevation of the AFPM machine.

axial-flux permanent-magnet(AFPM);coreless stator;axial magnetic force;stress analysis

TM 351

A

1673-6540(2012)09-0010-03

2012-02-23