非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)設(shè)計(jì)研究

林日成

摘 要：本文基于筆者的研究成果，首先對(duì)當(dāng)前非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)的應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了分析，然后基于設(shè)計(jì)要求對(duì)非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：損耗構(gòu)成;軸向磁通;非晶合金

一、序言

伴隨著當(dāng)前材料學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的新型材料被應(yīng)用到了永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造之中。非晶合金材料是一種新型材料，其在非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的研究過(guò)程中能夠充當(dāng)定子鐵心，因?yàn)樵摲N材料具有在高頻環(huán)境下對(duì)鐵心渦流損耗抑制明顯的特性。但同時(shí)材料本身有著薄、脆等特點(diǎn)，使之加工方式與傳統(tǒng)的硅鋼電機(jī)完全不同。本文對(duì)非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)非晶合金材料在永磁電機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步探索。

二、非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)的應(yīng)用問(wèn)題

因?yàn)榉蔷Ш辖鸩牧媳旧肀∏掖嗟奶匦?，使得其磁性能受機(jī)械應(yīng)力的影響較大，本身的飽和磁密度也較低。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中要兼顧此類材料不宜沖壓的物理特性和特殊的電磁性能，所以相關(guān)非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)在對(duì)非晶合金材料進(jìn)行制造時(shí)取消了沖壓和切割等工序，最大程度的減少機(jī)械加工環(huán)節(jié)對(duì)非晶材料磁性能的影響。在設(shè)計(jì)方面，非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)的問(wèn)題主要分為四個(gè)方面：

首先是非晶定子鐵心的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，通常非晶定子鐵心的疊壓系數(shù)基本能夠達(dá)到0.9左右，但是根據(jù)非晶合金的物理性質(zhì)，使得單位體積內(nèi)的絕緣比例較大，進(jìn)而降低了此類材料的熱傳導(dǎo)能力。特別是高頻電機(jī)損耗方面，因?yàn)榇祟惒牧系暮臒彷^快導(dǎo)致?lián)p耗較快，所以需要著重考慮非晶定子的冷卻和溫升問(wèn)題。

其次是非晶定子鐵心的磁密度飽和問(wèn)題，在加工的不同階段，非晶鐵芯的磁性能會(huì)受到各種頻率的影響。雖然與傳統(tǒng)的永磁電機(jī)材料相比，其收到的影響要小很多，但是因?yàn)榉蔷Ш辖鸩牧系娘柡痛琶芏缺葌鹘y(tǒng)的硅鋼材料要低，所以需要將其設(shè)計(jì)在非晶合金材料接近飽和磁密位置，以此來(lái)控制定子的溫升和貼好，此類位置在高頻下可達(dá)到1.2～1.3T，50Hz的情況下可達(dá)到1.4～1.5T。

第三是磁通結(jié)構(gòu)引起的軸向磁拉力問(wèn)題，此類問(wèn)題主要是因?yàn)榇磐ńY(jié)構(gòu)所引起的軸向磁拉力偏轉(zhuǎn)，如果不在設(shè)計(jì)上進(jìn)行適應(yīng)的選擇，就會(huì)造成相應(yīng)的點(diǎn)擊破壞。所以非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)主要在雙轉(zhuǎn)子單定子式、雙頂子單轉(zhuǎn)子式和多盤式三種結(jié)構(gòu)中進(jìn)行選擇。

最后是軸向?qū)ΨQ度問(wèn)題，軸向?qū)ΨQ度問(wèn)題通常是由裝配精度不高所引發(fā)的，所以需要大幅度提高裝配的精度，進(jìn)而規(guī)避這類因裝配工藝不精所導(dǎo)致的問(wèn)題。

三、非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)要求

根據(jù)相關(guān)計(jì)算，筆者設(shè)計(jì)的非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)以Torus結(jié)構(gòu)為主體，額定功率為7kW，額定電壓為380V，額定轉(zhuǎn)速為4000 r·min-1，其本身的效率>90%，相數(shù)為3，。采用定子開(kāi)槽，繞結(jié)構(gòu)為繞組單尺，連接方式為雙側(cè)繞組串聯(lián)。

2.主要尺寸

在極槽配合方面，非晶合金材料高頻下對(duì)鐵心渦流損耗抑制作用明顯，但飽和磁密較低且對(duì)機(jī)械應(yīng)力敏感，要求鐵心加工量越少越好，因此本設(shè)計(jì)選用分?jǐn)?shù)槽繞組，并通過(guò)近極槽配合減小低次齒諧波，降低齒槽轉(zhuǎn)矩與諧波損耗，提高電機(jī)電磁性能。隨著極數(shù)增加，電機(jī)運(yùn)行頻率升高，鐵心損耗增逐漸增大，但非晶合金材料在高頻下對(duì)鐵心渦流損耗抑制作用明顯。根據(jù)相關(guān)模擬，本次設(shè)計(jì)選擇12極18槽自作為本次電機(jī)設(shè)計(jì)的極槽配合。

在電機(jī)尺寸方面，定子外徑、內(nèi)徑與電機(jī)軸向長(zhǎng)度是軸向磁通電機(jī)的三個(gè)主要尺寸，為充分利用銅與永磁體，定、轉(zhuǎn)子盤一般設(shè)計(jì)為相同徑向有效長(zhǎng)度，外徑與軸向長(zhǎng)度決定了電機(jī)體積，三者可大致確定鐵心材料用量。本次設(shè)計(jì)綜合考慮電機(jī)電磁性能與電磁負(fù)荷對(duì)定、轉(zhuǎn)子溫升的影響，最終確定電樞直徑比為1.70，此時(shí)電機(jī)外、內(nèi)徑尺寸分別為185mm和109mm。

在氣隙長(zhǎng)度方面，根據(jù)相關(guān)的研究成果，研究人員發(fā)現(xiàn)氣隙長(zhǎng)度對(duì)氣隙磁密、漏磁情況、齒槽轉(zhuǎn)矩與永磁體渦流損耗均有較大影響，氣隙長(zhǎng)度越大永磁體用量也相應(yīng)增加，成本波動(dòng)較大，另外軸向磁通特殊結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生不平衡磁拉力，氣隙長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)還需考慮裝配要求，氣隙越小軸向磁拉力越大，對(duì)裝配精度要求越高，為保證電機(jī)運(yùn)行可靠性、降低裝配難度，軸向磁通永磁電機(jī)氣隙長(zhǎng)度設(shè)計(jì)應(yīng)比徑向磁通結(jié)構(gòu)大。綜合考慮氣隙長(zhǎng)度對(duì)空載氣隙磁密、齒槽轉(zhuǎn)矩、永磁體渦流損耗與電機(jī)成本的影響，本設(shè)計(jì)的氣隙長(zhǎng)度2.5mm。

四、總結(jié)

總而言之，本文根據(jù)非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)方向出發(fā)，對(duì)非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)的極槽配合、電機(jī)尺寸和等氣隙長(zhǎng)度四個(gè)方向進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，讓其能夠滿足非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)的生產(chǎn)要求。根據(jù)后續(xù)的仿真模擬實(shí)驗(yàn)，筆者對(duì)本次設(shè)計(jì)的非晶合金軸向磁通永磁電機(jī)進(jìn)行了運(yùn)行模擬，發(fā)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的電機(jī)取得了預(yù)期的設(shè)計(jì)成果。

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