軟磁復(fù)合材料在軸向磁場(chǎng)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用
鄧秋玲，黃守道，許志偉，彭磊
(1湖南工程學(xué)院，湖南湘潭411101；2湖南大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410082)
摘要：討論了sMc在直驅(qū)風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)巾的軸向磁場(chǎng)永磁(AFPM)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。首先介紹了軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；然后介紹了sMc材料的特性．討論了sMc材料在永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；最后使用有限元法將基于sMc的AFPM風(fēng)力發(fā)電機(jī)與采用硅鋼片定子鐵心的AFPM風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了比較，證明了所提方案是可行的。
關(guān)鍵詞：軸向磁場(chǎng)；永磁電機(jī)；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；軟磁組合件
0引 言
用于低速直驅(qū)風(fēng)能系統(tǒng)的徑向磁場(chǎng)永磁同步發(fā)電機(jī)的外形是一個(gè)扁平的大圓盤(pán)，這種電機(jī)的定子內(nèi)徑大、轉(zhuǎn)子尺寸和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也大。這對(duì)平抑風(fēng)力起伏引起電動(dòng)勢(shì)的波動(dòng)是有利的，但也對(duì)電機(jī)控制提出了更高的要求。另外，直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)通常比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)質(zhì)量要大、經(jīng)濟(jì)性要差。為了在商業(yè)上更具競(jìng)爭(zhēng)力，必須對(duì)低速大直徑的發(fā)電機(jī)在成本、功率密度和效率等方面進(jìn)行優(yōu)化。
眾所周知，如果電機(jī)的極數(shù)足夠多，軸向長(zhǎng)度與外徑的比率足夠小時(shí)，軸向磁場(chǎng)電機(jī)比傳統(tǒng)徑向磁場(chǎng)電機(jī)在轉(zhuǎn)矩和功率密度方面有較大的優(yōu)勢(shì)。軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)還具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、定子繞組散熱條件良好的優(yōu)點(diǎn)，還可以做成多定子、多轉(zhuǎn)子的多氣隙結(jié)構(gòu)，以提高輸出功率。因此軸向永磁同步發(fā)電機(jī)適合應(yīng)用于直驅(qū)風(fēng)能轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合。
軸向磁通電機(jī)的主要缺陷與定子鐵心的制造有關(guān)。定子鐵心是通過(guò)將硅鋼片帶料卷繞后再進(jìn)行槽加工或?qū)_好槽的硅鋼片帶料卷繞而成。在槽加工過(guò)程中，會(huì)遇到疊片之間的短路問(wèn)題，當(dāng)繞制沖好槽的疊片帶時(shí)，存在預(yù)先打孔的槽難以對(duì)齊的問(wèn)題。用壓制的軟磁復(fù)合(以下簡(jiǎn)稱(chēng)sMc)材料做成的鐵心為上述難題提供一個(gè)解決的辦法。
近來(lái)，sMc材料低頻特性的改善使得它在電機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用中獲得了廣泛的興趣。sMc材料和粉末冶金擠壓加工的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是：它使復(fù)雜結(jié)構(gòu)容易成形，克服傳統(tǒng)的有槽疊片定子鐵心制造中的一些缺陷。在硅鋼片疊片鐵心的電機(jī)中，在平面磁路中可獲得良好的磁性能，它產(chǎn)生的是一個(gè)二維磁路，這限制了設(shè)計(jì)的可能性。在sMc材料中絕緣的鐵�？梢援a(chǎn)生等方性的磁性能。因此，在磁極組件設(shè)計(jì)中可以獲得三維磁路，為電機(jī)設(shè)計(jì)者提供了新的設(shè)計(jì)方法。
1軸向磁場(chǎng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
1．1軸向磁場(chǎng)電機(jī)存在的缺點(diǎn)
軸向磁場(chǎng)電機(jī)的磁場(chǎng)是軸向的，定、轉(zhuǎn)子在電機(jī)中對(duì)等放置，定、轉(zhuǎn)子均為圓盤(pán)形，因此也稱(chēng)為盤(pán)式電機(jī)。定子鐵心一般由雙面絕緣的冷軋硅鋼片帶料沖制卷繞而成，在硅鋼帶上，每隔一定距離沖出一個(gè)形狀尺寸完全相同的槽，在保證對(duì)應(yīng)槽一一對(duì)齊的條件下經(jīng)卷繞便可形成端面帶有下線槽的定子鐵心。定子繞組有效導(dǎo)體在空間上呈徑向分布。轉(zhuǎn)子為高磁能積的永磁體，固定在圓盤(pán)形鐵心上，軸向電機(jī)定子的鐵心加工是電機(jī)制造的關(guān)鍵。
在實(shí)際生產(chǎn)中，由于沖裁工藝的種種不足以及定子鐵心本身結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，硅鋼片的厚度極薄，為0．5～1．0 mm，因而在圓周自動(dòng)成形上或多或少都存在著如下問(wèn)題：對(duì)齊槽孔兩邊的硅鋼片呈“喇叭口”張開(kāi)狀；鐵心在卷繞成形中，在卷繞機(jī)剛度不足的情況下，往往出現(xiàn)壓緊不實(shí)的現(xiàn)象；還存在預(yù)先打孔的槽難以對(duì)齊的問(wèn)題。
1．2基于軟磁復(fù)合材料(sMc)的電樞鐵心
由于磁路幾何結(jié)構(gòu)，軸向磁場(chǎng)電機(jī)采用疊片技術(shù)制造鐵心比較困難，兩種方法可以解決疊片鐵心的困擾：一是采用實(shí)心體進(jìn)行加工或采用印制的鐵心；二是采用無(wú)鐵心或近似無(wú)鐵心的磁路結(jié)構(gòu)。這兩種方法的可行性都是建立在新材料的獲取上：用軟磁粉末復(fù)合材料通過(guò)加工處理進(jìn)行三維定型或直接通過(guò)壓制過(guò)程來(lái)制造定子鐵心；采用高性能的水磁體和具有良好熱性能和機(jī)械性能的塑性材料來(lái)減小或取消鐵磁材料的使用。目前由于成本的原因，塑性材料很少作為電機(jī)的結(jié)構(gòu)件來(lái)使用。只有在要求重量輕、效率高的塑性軸向磁場(chǎng)電機(jī)中得到了應(yīng)用。
為了克服疊片鐵心制造的困難，定子鐵心采用SMC實(shí)心圓柱體加工而成，如圖1所示。在實(shí)心的圓柱體上開(kāi)了許多槽用來(lái)安好電樞繞組。將繞組制造成一個(gè)集中繞組，這可以使相繞組的端部連接縮短，繞組電阻減小，因而可以降低銅耗。
2 SMC材料的特性
在軸向磁場(chǎng)電機(jī)中所用SMC：材料由表面蓋有絕緣薄膜的軟磁鐵粉粒壓制而成。將具有良好磁性能的高純度鐵粉與樹(shù)脂粘合濟(jì)混合在 |
