軸向磁通的低成本盤式永磁發(fā)電機(jī)
鄧隱北，史謙東，王華
(河南森源電氣股份有限公司，河南鄭州一450016)
摘要：文章提出了一種新型盤式電機(jī)結(jié)構(gòu)，解決了軸向磁通永磁發(fā)電機(jī)的一些難題。該新結(jié)構(gòu)中，采用的非鐵磁材料支架，能克服作用于磁鋼上的離心力，故可以提高轉(zhuǎn)速以增大發(fā)電機(jī)的輸出功率。新型設(shè)計(jì)的成本低，制造容易。由于這一新型結(jié)構(gòu)的研制，推出了一種高速、低成本的軸向磁通永磁發(fā)電機(jī)。
關(guān)鍵詞：軸向磁通；無鐵心；非鐵磁材料支架；永磁發(fā)電機(jī)；磁鋼
O 引言
定子無鐵心的軸向磁通永磁(AFPM)電機(jī)，被認(rèn)為是分散式發(fā)電的高效電機(jī)。在這種電機(jī)中，無鐵心的定子避免了轉(zhuǎn)子與定子之間磁鋼和鐵的直接吸引。因?yàn)闊o鐵心損耗，這一設(shè)計(jì)型式的發(fā)電機(jī)比常規(guī)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率自然就更高。此外，結(jié)構(gòu)緊湊及盤式的外形，使得此類電機(jī)特別適合于與風(fēng)輪機(jī)械組合，有利于在風(fēng)力發(fā)電中的推廣應(yīng)用。
利用軸向磁通結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)幾乎在150年以前就已開發(fā)，然而其應(yīng)用卻由于某些原因被局限于分馬力級功率。一個主要問題是作用在磁鋼上的離心力迫使磁鋼移位，故AFPM發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速受到限制，導(dǎo)致此類發(fā)電機(jī)的低速應(yīng)用，例如與風(fēng)輪機(jī)直聯(lián)。過去，對AFPM發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速曾分別定于200r/min和1950r/min，為增大功率輸出依靠增加極數(shù)，相應(yīng)增加到28極和40極。對極數(shù)較少的AFPM電機(jī)另一種實(shí)現(xiàn)所需高輸出的方法是提高轉(zhuǎn)速。較高的轉(zhuǎn)速導(dǎo)致定子繞組中較高的感應(yīng)電壓。無鐵心AFPM發(fā)電機(jī)通常具有小的電感值，因而電流的增加不會改變電機(jī)的性能，而較少磁鋼數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是降低了發(fā)電機(jī)的成本。
本文為求得AFPM電機(jī)的參數(shù)和性能，提出了一些必要的公式，然后設(shè)計(jì)了軸向磁通無鐵心的三相永磁發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)有兩個外圓盤轉(zhuǎn)子和位于轉(zhuǎn)子之間的一個無鐵心定子，磁鋼采用稀土永磁釹鐵硼(NdFeB)產(chǎn)生發(fā)電機(jī)所需的勵磁。這些磁鋼粘附在轉(zhuǎn)子圓盤的兩個內(nèi)表面上。初步設(shè)計(jì)后，為了精密的研究，利用有限元(FEM)軟件，分析電機(jī)的兩維(2-D)模式。按照FEM的分析結(jié)果，一方面能計(jì)算電機(jī)的參數(shù)，另一方面可研究電機(jī)的原型(樣機(jī))試驗(yàn)程序。為了克服作用在電機(jī)磁鋼上的離心力，設(shè)計(jì)并制造了一種非鐵磁材料的支架，最后通過實(shí)驗(yàn)獲得了電機(jī)的性能。期望借助非鐵磁性支架，能以低的成本制成高速的AFPM發(fā)電機(jī)。高速驅(qū)動發(fā)電機(jī)時，能得到較高的輸出功率。在給定的頻率下，較高的轉(zhuǎn)速歸因于較少的磁極對數(shù)，磁極數(shù)的減少，當(dāng)然就降低了造價。
1無鐵心定子的軸向磁通永磁結(jié)構(gòu)
圖l為AFPM電機(jī)的三維圖形，配有兩個外轉(zhuǎn)子圓盤和轉(zhuǎn)子之間的一個無鐵心定子。如圖所示，矩形的NdFeB高能磁鋼粘附在兩個轉(zhuǎn)子圓盤的內(nèi)表面。圖l所示的軸徑未按比例，僅說明AFPM電機(jī)的內(nèi)徑相對較大。
圖2所示的轉(zhuǎn)子磁極(N、S極性)交叉配置。圓盤的內(nèi)半徑和外半徑分別表示為Ri和Ro。
圖l電機(jī)的定子繞組無鐵心，定子繞組表面與電機(jī)軸垂直。繞組的繞制有不同的方法。本研究中采用了三相的單層梯形繞組。以這一繞組形式，僅線卷的一邊置于特定空間(或置于帶鐵心定子的槽中)。極對數(shù)12的電機(jī)一相線卷的典型布置如圖3所示。另兩相按第一相相隔±120。電角度進(jìn)行布置。
2 等值電路
無鐵心AFPM電機(jī)的每相等值電路如圖4所示。在這一電路中，Rs、Ls、em、Va和ia分別
表示定子電阻、定子電感、氣隙中永磁基波磁通匝鏈數(shù)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢、基波的瞬時相電壓和相電流。定子渦流損耗的等值電阻以Re表示。
同步電感Ls由電樞反應(yīng)電感La和總的漏電感L1組成，L1表示如下：
式中：L1r、L1d和L1e分別表示徑向漏電感、導(dǎo)體周圓徑向的差漏電感以及端繞組的漏電感。與常規(guī)有槽的電機(jī)不同，無鐵心或無槽的電機(jī)中漏電感和互感無明確定義，故以精確的公式表示L1r、L1d和L1e和重要。
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