盤式聚磁低速發(fā)電機

楊 林，何永義

(上海大學(xué)，上海200072)

0 引 言

現(xiàn)在人們開始認(rèn)識到微量的有毒有害氣體排放對環(huán)境有很大影響，如冰山消融、海平面升高、土地沙漠化，各國都認(rèn)識到必須共同采取措施減緩這種變化。為減緩地球變暖，各國都在進行環(huán)境資源檢測，同時避免給環(huán)境帶來二次污染。然而向工作在偏遠地區(qū)、條件惡劣的資源監(jiān)測，危險報警，而且頻繁移動的儀器提供電力十分困難。雖然鋰離子電池性能優(yōu)越，但是在這樣的環(huán)境下更換電池極不方便，而且很多儀器停電重起時間很長，也是作業(yè)所不允許的。而微風(fēng)低速風(fēng)力發(fā)電機則具有很多優(yōu)勢，例如風(fēng)能在能源轉(zhuǎn)化工程中不會產(chǎn)生任何排放，因此除了不產(chǎn)生有害氣體等區(qū)域性污染外，也不會帶來全球環(huán)境污染;成本低廉，可以與一節(jié)鋰離子充電電池相比;可以長時間給儀器供電;不需要拉線，可以隨時遷移。

但是這些能源單位體積所攜帶的能量有限，要能高效地收集這些能源，發(fā)電機是能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備。例如風(fēng)力發(fā)電機，最多每分鐘幾百轉(zhuǎn)。因此發(fā)電機的技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟性、可加可性等決定著其在市場中的競爭力。常用發(fā)電機分為盤式和圓柱式兩種:圓柱式發(fā)電機的氣隙磁場延徑向分布，而盤式發(fā)電機氣隙磁場沿延軸向分布;要想獲得較高的發(fā)電效率，圓柱式發(fā)電機必須運行在高速下，而盤式發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子為平行結(jié)構(gòu)，克服了圓柱式電機定子包容轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)缺點，軸向尺寸小，沒有疊片和鉚壓工序，工藝性好，因此盤式發(fā)電機可以運行在低速條件下［1－2］。

盤式永磁發(fā)電機有多種結(jié)構(gòu)，通常分為有槽面和無槽面兩種，其典型結(jié)構(gòu)呈扁平狀，定子上粘有多塊扇形或圓形按N、S 極性交錯排列的永磁體，并固定在電樞一側(cè)或兩側(cè)的端蓋上。永磁體軸向磁化，從而在氣隙中產(chǎn)生多極的軸向磁場［3－4］。這種環(huán)形結(jié)構(gòu)磁極排列簡單，但是磁極之間漏磁較大，放置定子繞組需要增大氣隙，導(dǎo)致了永磁體厚度的增加，需要較多的永磁體來增加磁場，電極的體積也隨之增大，成本上升［5－6］。

本文提出的盤式聚磁低速發(fā)電機，利用釹鐵硼的高性能和軟鐵的高導(dǎo)磁特性，通過兩者結(jié)合改進磁路，設(shè)計出最優(yōu)化的聚磁磁路結(jié)構(gòu)，形成結(jié)構(gòu)緊湊、漏磁少的磁鋼，從而使低速發(fā)電機高密度輕量化，降低了磁極的厚度，減少了磁極之間的漏磁，容易實現(xiàn)多極對數(shù)，在多極對數(shù)的情況下，漏磁也不會增加，因此提高了發(fā)電機的效率，減小了發(fā)電機的體積。

1 聚磁盤式結(jié)構(gòu)

1.1 聚磁的磁路結(jié)構(gòu)

盤式電機多數(shù)是安裝在軸向尺寸較小的空間，為了減小盤式電機的體積，必須提高單位體積內(nèi)的磁場強度，減少漏磁;為了降低電機的成本，又必須盡可能減少釹鐵硼的用量。為此本文提出了一種聚磁的盤式結(jié)構(gòu)，通過軟鐵改變磁力線的方向，達到聚磁的目的，其結(jié)構(gòu)對比如圖1 所示。

圖1 磁路結(jié)構(gòu)對比示意圖

兩個磁鐵的同極性面對面放置在同一軟鐵的兩邊，主磁路從一個磁極出發(fā)，通過軟鐵時磁力線旋轉(zhuǎn)90°，軸向穿過氣隙到達與之相對的另一磁極，同樣再穿過相鄰的磁極和軸向氣隙，最后形成閉合回路。實驗表明，采用雙邊聚磁磁體結(jié)構(gòu)，氣隙磁密比傳統(tǒng)的高出10% 左右，采用雙面結(jié)構(gòu)可以更充分利用釹鐵硼材料，有利于提高電機性能、降低成本和縮小體積。

1.2 磁鋼主要尺寸計算

設(shè)電動勢為E，繞組并聯(lián)支路數(shù)為a，極對數(shù)為p，總導(dǎo)體數(shù)為N，電機轉(zhuǎn)速為n，則氣隙磁通量:

根據(jù)電樞的厚度確定氣隙的長度，計算出磁鋼的磁場強度，查該磁鋼的磁能積曲線，確定磁鋼磁感應(yīng)強度為B，則磁鋼的截面積A:

根據(jù)電機的直徑以及極對數(shù)確定磁鋼的長寬，為了方便測試發(fā)電機，本文采用PCB 作為電樞，電機直徑100 mm，厚度20 mm，測試用發(fā)電機如圖2所示。

圖2 測試發(fā)電機照片

2 聚磁盤式發(fā)電機測試

本文采用9 對極結(jié)構(gòu)，沒有變速箱，性能可靠安全，結(jié)構(gòu)緊湊，而且漏磁小，發(fā)電效率高，很好地利用了釹鐵硼的優(yōu)點。試驗時采用直流電動機驅(qū)動發(fā)電機，通過示波器獲得發(fā)電機從42～525 r/min 條件下空載端電壓輸出波形，從圖3 可以看出，發(fā)電機在不同轉(zhuǎn)速下的電壓波形為正弦波，波形完整平滑。

圖3 發(fā)電機電壓輸出波形

發(fā)電機的空載試驗結(jié)果如表1 所示。

表1 發(fā)電機空載試驗數(shù)據(jù)

3 結(jié) 語

本文闡述了聚磁盤式低速直驅(qū)發(fā)電機的聚磁結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了一臺小型的測試發(fā)電機，通過試驗對發(fā)電機的性能進行了評估，發(fā)電機在低速下性能優(yōu)良。為了提高輸出功率，可以增大電機的直徑，也可以方便快捷地增加發(fā)電機的磁極對數(shù)，而且安裝方便。由于現(xiàn)在的釹鐵硼材料性能優(yōu)越，先進的加工制造技術(shù)可以保證足夠小的氣隙，從而設(shè)計出緊湊、性能優(yōu)越、價格低廉的低速發(fā)電機，而且較低的成本也利于這種電機的推廣。

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