高效高功率密度軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

向全所，鄧秋玲，b，劉 婷，b，肖意南，龍 夏，楊國(guó)靈，廖宇琦，艾文豪

（湖南工程學(xué)院a.電氣與信息工程學(xué)院；b.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411101）

0 引言

相比于傳統(tǒng)徑向磁場(chǎng)電機(jī)，軸向磁場(chǎng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)矩密度高、功率密度高和軸向長(zhǎng)度短的優(yōu)點(diǎn)［1-3］.軸向磁場(chǎng)電機(jī)與傳統(tǒng)徑向磁場(chǎng)電機(jī)的主要區(qū)別是，軸向磁場(chǎng)電機(jī)的磁場(chǎng)方向是軸向通過(guò)氣隙的，定子和轉(zhuǎn)子均是盤形的，也稱為盤式電機(jī)［4］.目前國(guó)內(nèi)對(duì)于軸向磁場(chǎng)電機(jī)的研究相對(duì)較少，已有的研究中也大多是采用無(wú)定子鐵心，雖然減小了定子磁滯損耗和渦流損耗，轉(zhuǎn)子鐵心損耗和噪聲也降低了［5-8］.另一方面，通過(guò)使用無(wú)鐵心定子，繞組電感變得更小，并且需要更強(qiáng)或更多的永磁體來(lái)產(chǎn)生相同的磁場(chǎng)，使得盤式電機(jī)的制造成本提高，這也限制了大容量軸向磁場(chǎng)電機(jī)的發(fā)展.

隨著新材料的問(wèn)世，軸向磁場(chǎng)電機(jī)越來(lái)越得到重視.例如，采用導(dǎo)磁性能較好的粉末冶金軟磁材料（SMC）作為定子鐵心槽楔，可以降低氣隙磁導(dǎo)的變化率［9-11］.非晶合金作為一種新型導(dǎo)磁材料，具有低鐵耗的優(yōu)勢(shì)，將其用作電機(jī)的鐵心可以顯著提高電機(jī)的效率［12-14］.基于以上優(yōu)勢(shì)，本文擬設(shè)計(jì)一臺(tái)10 kW 軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，并用有限元分析方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，為進(jìn)一步生產(chǎn)樣機(jī)打好基礎(chǔ).

1 軸向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

單定子雙轉(zhuǎn)子軸向磁場(chǎng)電機(jī)是一種典型結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，兩個(gè)轉(zhuǎn)子盤由低碳鋼制成，表面裝有磁鋼，定子盤在兩轉(zhuǎn)子盤中間.本文提議的電機(jī)定子盤由非晶合金材料轉(zhuǎn)繞形成鐵芯，集中線圈以扇形方式纏繞在鐵心上.其磁路結(jié)構(gòu)有NN 和NS 兩種情況，如圖2 所示.具有NN 型磁路結(jié)構(gòu)的電機(jī)實(shí)際上相當(dāng)于兩臺(tái)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，具有兩套定子繞組，當(dāng)一組繞組出現(xiàn)故障時(shí)，另一組定子繞組還可以繼續(xù)工作，因而具有一定的容錯(cuò)性.本文以這種結(jié)構(gòu)的軸向磁場(chǎng)電機(jī)為例來(lái)進(jìn)行研究.

圖1 單定子雙轉(zhuǎn)子軸向磁場(chǎng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖2 軸向磁場(chǎng)電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)

2 電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

本文研究的非晶軸向磁場(chǎng)電機(jī)為TORUS 結(jié)構(gòu)，電機(jī)磁路為N-N 形，定子采用開口槽，繞組為平嵌，磁鋼為表貼式，扇形結(jié)構(gòu).選取電機(jī)的極對(duì)數(shù)P=16，額定轉(zhuǎn)速為v=3600 r/min.

2.1 電機(jī)的外徑確定

由于電機(jī)具有兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立對(duì)稱的磁路，因此可以利用單轉(zhuǎn)子單定子軸向磁場(chǎng)電機(jī)的設(shè)計(jì)程序來(lái)確定電機(jī)的主要尺寸.軸向磁場(chǎng)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩方程式分別可用式（1）和式（2）來(lái)表示

式中：Kp為電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)和電流的波形系數(shù)；Ke為繞組系數(shù)；v為電機(jī)的轉(zhuǎn)速；Kr為定子內(nèi)徑與外徑的比值；η為電機(jī)效率.

由式（1）和式（2）可知電機(jī)的功率很大程度與電負(fù)荷A和氣隙磁場(chǎng)Bg取值有關(guān).

由式（2）可推導(dǎo)出定子外徑公式（3）為

2.2 電機(jī)軸向長(zhǎng)度的確定

軸向磁場(chǎng)電機(jī)為雙轉(zhuǎn)子單定子結(jié)構(gòu)，電機(jī)的軸向長(zhǎng)度包括了兩個(gè)氣隙長(zhǎng)度、兩個(gè)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度和一個(gè)定子的長(zhǎng)度，如圖3 所示.因?yàn)殡姍C(jī)結(jié)構(gòu)和磁路的對(duì)稱性特點(diǎn)，在計(jì)算電機(jī)的軸向長(zhǎng)度時(shí)，只需要計(jì)算電機(jī)一半的長(zhǎng)度即可.電機(jī)的定子部分由非晶材料制成，考慮到經(jīng)濟(jì)性和滿足電機(jī)性能的要求，盡量將定子鐵心厚度最小化.

圖3 軸向磁場(chǎng)電機(jī)的軸向長(zhǎng)度組成

軸向磁場(chǎng)電機(jī)的軸向長(zhǎng)度為

式中：LS為定子鐵心的軸向長(zhǎng)度；Lor為轉(zhuǎn)子的軸向長(zhǎng)度；Lm為磁鋼充磁方向的長(zhǎng)度；δair為單氣隙長(zhǎng)度.

定子鐵心的長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)子鐵心的厚度可以通過(guò)磁通的關(guān)系求得，即

式中：BS為永磁體表面磁密，B1max為轉(zhuǎn)子鐵心的最大磁密，Bg為氣隙磁密，B2max為定子鐵心最大磁密.

電機(jī)主要尺寸確定以后，其他的參數(shù)可以參考常規(guī)的徑向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)公式來(lái)確定.最后得到的10 kW 軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示.

表2 電機(jī)的主要參數(shù)

3 軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的仿真分析

3.1 電機(jī)建模

本文采用ANSYS Maxwell 軟件對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行有限元仿真分析.在電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)初步確定以后，通過(guò)solidworks 建立軸向磁場(chǎng)永磁同步發(fā)電機(jī)的模型，然后將模型導(dǎo)入到Maxwell 3D 中.圖4（a）為導(dǎo)入Maxwell 3D 中電機(jī)的完整模型，考慮到全模型有限元分析需要進(jìn)行大量的運(yùn)算，而且也需要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，計(jì)劃將模型剖分為全模型的1/16，如圖4（b）所示.

圖4 電機(jī)3D模型圖

3.2 仿真結(jié)果分析

運(yùn)用Ansoft Maxwell 軟件對(duì)軸向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)三維模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)有限元仿真，可得到不同時(shí)刻、不同位置的磁密分布，如圖5 所示，所提議的電機(jī)在某時(shí)刻的最大磁密為1.72 T，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)飽和現(xiàn)象，證明電機(jī)設(shè)計(jì)合理.

圖5 電機(jī)磁密分布云圖

軸向磁場(chǎng)電機(jī)的氣隙磁密是一個(gè)與位置、半徑有關(guān)的三維圖.通過(guò)對(duì)平均半徑處的弧線參數(shù)化掃描，從電機(jī)內(nèi)徑掃描到電機(jī)外徑之間，從而得到軸向磁場(chǎng)電機(jī)不同半徑處氣隙磁場(chǎng)密度，如圖6 所示.可以看到在不同半徑處的氣隙磁密是不一樣的.圖7 顯示了在平均半徑處電機(jī)的氣隙磁密波形.可以看出氣隙磁密正弦性不是很好，這是由于開槽引起的氣隙磁導(dǎo)不均勻所致.

圖6 軸向磁場(chǎng)電機(jī)氣隙磁密

圖7 平均半徑處的氣隙磁密

由于氣隙磁密能夠反映電機(jī)能量交換的大小和能量交換的質(zhì)量.為了使電機(jī)氣隙磁密有更好的正弦性，在電機(jī)定子開口槽中使用磁性槽楔封閉，則可以減少氣隙磁導(dǎo)的變化率，還可以減弱齒槽轉(zhuǎn)矩.通過(guò)在槽口分別使用0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm 厚槽楔，并進(jìn)行仿真分析，得到圖8 所示的不同槽楔厚度下電機(jī)的氣隙磁密波形.從圖中可以看出，通過(guò)在電機(jī)定子槽口增加磁化槽楔后，四種不同槽楔厚度下的氣隙磁密波形都得到很大的改善，側(cè)面驗(yàn)證了齒槽轉(zhuǎn)矩與氣隙磁密有很大的關(guān)聯(lián).故永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化可以結(jié)合電機(jī)氣隙磁密波形優(yōu)化來(lái)考慮.

圖8 不同槽楔厚度下電機(jī)的氣隙磁密

空載特性是電機(jī)的基本性能.把電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子中的永磁體切割定子線圈，在定子中感應(yīng)出反電動(dòng)勢(shì)，其電動(dòng)勢(shì)波形如圖9 所示.將A 相反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行傅里葉分解得到圖10.從空載狀態(tài)來(lái)看，電機(jī)的三相反電動(dòng)勢(shì)波形具有更好的正弦性和更少的諧波含量，考慮到齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化后會(huì)減少空載反電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)峰值比設(shè)計(jì)時(shí)的額定電壓稍大.

圖9 電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)波形

圖10 空載反電動(dòng)勢(shì)諧波分析

圖11 為未優(yōu)化的電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩波形，齒槽轉(zhuǎn)矩比較大，最大達(dá)到了10 N·m，在對(duì)電機(jī)采用添加2 mm厚磁性槽楔后，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩降到了0.15 N·m，如圖12 所示.相比優(yōu)化前，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩減小了98.5%.

圖11 電機(jī)未優(yōu)化時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩

圖12 電機(jī)優(yōu)化后的齒槽轉(zhuǎn)矩

4 軸向磁場(chǎng)電機(jī)鐵耗分析

為了比較電機(jī)定子采用非晶材料與傳統(tǒng)硅鋼片材料鐵耗的大小，在前面提出的電機(jī)模型中，其他設(shè)置不變，僅改變定子材料，一組為非晶材料2605SA1，另外一組為硅鋼片DW465_50.兩個(gè)模型設(shè)置為相同的激勵(lì)，在設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速時(shí)，比較兩組的鐵耗大小.

從圖13 中可以看出，同一電機(jī)模型采取不同材料時(shí)的鐵心損耗相差很大，在低速500 rpm 時(shí)，非晶電機(jī)的鐵心損耗在28 W 左右，硅鋼材料的鐵心損耗在500 W 以上.而電機(jī)在2500 rpm 時(shí)，非晶電機(jī)的鐵心損耗在300 W 左右，而硅鋼材料的鐵心損耗在15 kW 左右.隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)的鐵心損耗也增大.相比硅鋼片材料，采用非晶材料電機(jī)的鐵耗大大減小，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加，使用硅鋼片材料電機(jī)的鐵耗增加得更快.

圖13 空載電機(jī)鐵耗

通過(guò)鐵耗的仿真結(jié)果對(duì)比，可以直觀地看出非晶材料電機(jī)的鐵耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于硅鋼片材料電機(jī)的鐵耗，由此驗(yàn)證了非晶材料電機(jī)的節(jié)能效果.

5 非晶軸向磁場(chǎng)電機(jī)的制造工藝

5.1 定子的制造工藝

本文采用的非晶材料為厚度只有25 μm 的帶狀材質(zhì)，并表現(xiàn)出非常高的硬度.由于材質(zhì)較脆，因此需要進(jìn)行特殊的工藝處理.制作工藝包括纏繞帶狀非晶材料、非晶材料涂層、非晶定子的固化、非晶鐵心的熱處理和非晶鐵心的切割.帶狀非晶材料從定子內(nèi)徑大小處開始轉(zhuǎn)繞，一層一層疊加，直至疊加到定子外徑大小處停止.在轉(zhuǎn)繞的同時(shí)在非晶材料的表面噴涂膠水，同時(shí)施加一定的壓力，讓轉(zhuǎn)繞的非晶材料之間相互貼合，減少間隙的大小，保證疊加系數(shù).定子轉(zhuǎn)繞成型之后進(jìn)行定子材料的固化，固化處理完后需要進(jìn)行熱處理，以降低轉(zhuǎn)繞工藝對(duì)非晶材料性能的影響.

非晶定子材料的獨(dú)特性能，只適合對(duì)定子進(jìn)行線切割成槽，與常用的硅鋼片相比，非晶材料的機(jī)械強(qiáng)度仍然有限，材質(zhì)脆硬.定子采取卷繞的方式制成，定子的外徑大小公差達(dá)到2 mm.如果采取傳統(tǒng)電機(jī)定子和機(jī)殼過(guò)盈配合，定子和機(jī)殼的配合明顯會(huì)失效.由于氣隙的軸向長(zhǎng)度較短，需要容納集中繞組和軸，空間非常有限，只有澆注足夠量的耐高溫的非磁性非導(dǎo)電材料環(huán)氧樹脂將定子和基座固定，如圖14 所示.凝固的環(huán)氧樹脂將定子鐵心、繞組、機(jī)殼三者固定為一個(gè)整體，這樣填充的環(huán)氧樹脂也成為散熱的介質(zhì)，能夠均勻地將熱量傳遞到機(jī)殼上面，有利于電機(jī)散熱.

圖14 定子和機(jī)座的固定

5.2 轉(zhuǎn)子的加工工藝與應(yīng)力分析

5.2.1 磁鋼的安裝固定

如圖15 所示，由于兩個(gè)轉(zhuǎn)子盤處在定子的兩側(cè)，要保持兩個(gè)氣隙大小一致，需要經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，仔細(xì)校核，保證兩氣隙長(zhǎng)度在一個(gè)合適的誤差范圍.

圖15 轉(zhuǎn)子的安裝示意圖

如圖16 所示，每個(gè)轉(zhuǎn)子盤上有32 個(gè)交替極性的磁鋼，粘貼在轉(zhuǎn)子盤表面上.為了使其緊固在表面，需要另外涂抹粘連的膠.眾所周知，溫度升高，膠的性能會(huì)變差，在高溫條件下，粘連膠的最大允許應(yīng)力明顯降低.為此電機(jī)的散熱性能要好，并且考慮到磁鋼高溫退磁的可能性，允許溫升控制在120 ℃范圍內(nèi).兩個(gè)轉(zhuǎn)子盤上的磁鋼應(yīng)該精確相對(duì)，則需要特別設(shè)計(jì)一個(gè)磁鋼盤，磁鋼盤上開有磁鋼大小的孔，磁鋼可以鑲嵌在磁鋼盤上.通過(guò)將兩個(gè)磁鋼盤進(jìn)行定位，就能保證兩個(gè)轉(zhuǎn)子邊的磁鋼對(duì)齊.開有孔的磁鋼盤的另一個(gè)功能是，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，能夠在切向方向支撐磁鋼.

圖16 磁鋼與轉(zhuǎn)子盤圖

5.2.2 轉(zhuǎn)子磁鋼的應(yīng)力分析

轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁鋼是否可靠地粘連在轉(zhuǎn)子盤上，需要通過(guò)轉(zhuǎn)子和粘膠劑性能試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證.下面將通過(guò)workbench 來(lái)仿真磁鋼和轉(zhuǎn)子盤的應(yīng)力情況.分析基于三維有限元法.取一塊磁鋼和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子盤，通過(guò)設(shè)置轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，得到的仿真結(jié)果如圖17 所示，其中磁鋼和轉(zhuǎn)子盤最大應(yīng)力為4.89e12Pa，滿足安全條件.

圖17 磁鋼應(yīng)力仿真圖

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的這臺(tái)10 kW 雙轉(zhuǎn)子單定子軸向磁場(chǎng)電機(jī)，通過(guò)solidworks 建立了電機(jī)模型，通過(guò)Maxwell 3D 對(duì)電機(jī)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：當(dāng)磁性槽楔的厚度達(dá)到2 mm 時(shí)，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩降低了98.5%，電機(jī)的氣隙磁密也得到明顯的改善，諧波大大減小.當(dāng)定子鐵心采用非晶材料時(shí)，電機(jī)的鐵心損耗大大地降低，證明了非晶材料電機(jī)具有明顯的低損耗的優(yōu)點(diǎn).最后，通過(guò)采用workbench 仿真了磁鋼和轉(zhuǎn)子盤的應(yīng)力分布情況，證明了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性.