軸徑向磁通永磁同步電機(jī)的研究
郭農(nóng)生，沈琳
(國營北京曙光電機(jī)廠，北京100028)
摘要：又章提出了一種新型結(jié)構(gòu)的具有折疊繞組的軸徑向磁通水磁同步電機(jī)，介紹了其結(jié)構(gòu)原理，確定了設(shè)計(jì)方案，并對有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行r比較分析。計(jì)算結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)電機(jī)在較大外徑和功率需求下，可以更大的提高電機(jī)功率密度。
關(guān)鍵詞：軸徑向磁通永磁同步電機(jī)：折箍繞組；功率密度
O引言
目前，常用永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)按磁通穿過氣隙時(shí)的走向分為徑向磁通圓柱式永磁電機(jī)和軸向磁通盤式永磁電機(jī)[1]。但是在某些情況F電機(jī)的結(jié)構(gòu)還不夠緊湊，不能更有效提高功率密度。例如，對于徑向磁通圓柱式永磁電機(jī)，當(dāng)電機(jī)長徑比較小時(shí)，繞組端部長度占電機(jī)軸向長度的比例較大，并且槽底到軸間的很大一部分空間沒被利用；而對于軸向磁通盤式永磁電機(jī)，在鐵心內(nèi)徑和外徑都有很大一部分空間浪費(fèi)在端部繞組上。盡管人們采取r各種措施縮短端部K度，如集中繞組、鏈?zhǔn)嚼@組、短距繞組、提高嵌線工藝等，但效果并不十分理想。
針對這種現(xiàn)象，本文提出一種新型結(jié)構(gòu)的軸徑向磁通永磁同步電機(jī)，該電機(jī)采用折疊式繞組，將兩個(gè)軸向磁通盤式永磁電機(jī)與圓柱式永磁電機(jī)結(jié)合在一起，這種結(jié)構(gòu)電機(jī)具有端部短和嵌線方便等優(yōu)點(diǎn)，并充分利用了空間，提高了功率密度。有限元計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方案的可行性。
1結(jié)構(gòu)原理
具有折疊繞組的軸徑向磁通永磁同步電機(jī)可以看成是將圓柱式永磁同步電機(jī)的軸向兩端各取一段，分別沿圓周向軸心折疊而成的，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。定子由一套三相對稱的折疊 繞組、三組硅鋼片、套筒和擋板組成，如圖2所示。徑向分電機(jī)鐵心是由硅鋼片在套筒上沿軸向疊加而成，其外圓表面開有多個(gè)軸向槽；兩側(cè)的軸向分電機(jī)鐵心是由硅鋼
片卷繞而成，鐵心的一個(gè)側(cè)面分別用螺釘固定在兩個(gè)圓環(huán)形擋板上，另外兩側(cè)端面上分別開有多個(gè)徑向槽，萁開口中心線圍繞著軸呈放射線狀均勻排列。該電機(jī)軸向槽與定子鐵心兩側(cè)端面的徑向槽一一對應(yīng)，每個(gè)對應(yīng)槽內(nèi)共唰設(shè)置有折疊繞組的一個(gè)元件邊。套筒及其兩側(cè)的兩個(gè)擋板由六個(gè)螺栓連接到一起，固定在不動(dòng)軸上。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、軸向永磁體和徑向永磁體組成。轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)圓壁面上均布有多個(gè)徑向充磁的永磁體，轉(zhuǎn)予鐵心兩內(nèi)側(cè)端面t的永磁體軸向充磁，圍繞著軸呈放射線狀均勻排列。為了使軸向和徑向部分協(xié)調(diào)運(yùn)行，需要保證每組軸向槽和徑向槽中心線對齊，并且每組軸徑向永磁體中心線也一致。
由于此軸徑向電機(jī)是由徑向電機(jī)演變而來，所以還是通過一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)單元輸出功率。定子繞組以星形接法連接后，通過軸的出線孔與外部三相正弦交流電源相連接。當(dāng)定子繞組通以三相交流電時(shí)，在電機(jī)的徑向氣隙和兩端的軸向氣隙中分別產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)速相同的旋轉(zhuǎn)磁場，三者共同拖動(dòng)轉(zhuǎn)子同向同速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的鐵心外殼作為旋轉(zhuǎn)動(dòng)力輸出端。
3設(shè)計(jì)方案的確定
為簡化電機(jī)分析，將軸徑向電機(jī)可以分解為在結(jié)構(gòu)上和磁路上完全獨(dú)立的三個(gè)電機(jī)，這三個(gè)電機(jī)具有相同的電流、相同的轉(zhuǎn)速和繞組分布，而兩個(gè)盤式電機(jī)完全相同，只需要分析一個(gè)即可。設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。
由于不知道軸向分電機(jī)和徑向分電機(jī)如何進(jìn)行功率分配，所以先設(shè)計(jì)一臺滿足功率要求的徑向磁通外轉(zhuǎn)子電機(jī)(折疊繞組較適合外轉(zhuǎn)予結(jié)構(gòu))。得到徑向電機(jī)尺寸后，再根據(jù)套筒所需最小厚度，確定出軸向電機(jī)的基本尺寸。根據(jù)徑向磁通永磁同步電機(jī)電磁功率計(jì)算公式(1)可知，電樞直徑和電磁負(fù)荷不變時(shí)，電磁功率與電機(jī)軸向長度成正比[2]，從而可確定出徑向分電機(jī)的鐵心長度。
根據(jù)上述流程設(shè)計(jì)了一臺軸徑向磁通永磁同步屯機(jī)，主要參數(shù)如表1所示。
4有限元分析
軸徑向電機(jī)三維模型和有限元計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖可以看出，由于三維有限元軟件對軸徑向電機(jī)整體仿真時(shí)，耗費(fèi)時(shí)間較長并且網(wǎng)格剖分不能十分精細(xì)，從而計(jì)算結(jié)果不是
很準(zhǔn)確�？紤]到軸向電機(jī)較軸徑向電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小，故徑向電機(jī)采用二維有限元軟件進(jìn)行單獨(dú)分析，而軸向電機(jī)使用三維有限元軟件進(jìn)行分析，這樣而計(jì)算結(jié)果相對比較精確。有限元模型和計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。
將分電機(jī)單獨(dú)設(shè)計(jì)與軸徑向電機(jī)整體設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表2所示。
由表2可以看出，軸徑向電機(jī)分開設(shè)計(jì)與整體設(shè)計(jì)相比，空載反電勢和平均轉(zhuǎn)矩誤差很小，
達(dá)到了很好的一致性，而齒槽轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩峰峰值誤差卻很大，這是由于軸徑向電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且采用網(wǎng)格剖分比較粗糙的三維場進(jìn)行計(jì)算，從而給計(jì)算結(jié)果帶來較大誤差。因此，在以后的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中可以采用單獨(dú)設(shè)計(jì)的方法，即能節(jié)約計(jì)算時(shí)間，又可得到更加精確的仿真結(jié)果。
5電機(jī)性能分析
5 .1普通電機(jī)性能對比
本文采用軸徑向電機(jī)設(shè)計(jì)之前的那個(gè)符合技術(shù)要求的徑向電機(jī)作為比較對象，兩臺電機(jī)功率和外徑相同。表3給出了軸徑向電機(jī)與普通徑向外轉(zhuǎn)子電機(jī)主要尺寸參數(shù)對比。經(jīng)過計(jì)算可知，軸徑向電機(jī)功率密度是普通徑向外轉(zhuǎn)子電機(jī)的1.38倍。因此可以說，軸徑向電機(jī)充分體現(xiàn)了功率密度大的優(yōu)勢。
5.2技術(shù)指標(biāo)的分析與改進(jìn)
表3中所列出的樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)僅僅是滿足技術(shù)要求，實(shí)際上其輸出功率還沒有得到****的開發(fā)。首先，在上述參數(shù)中，套筒與軸連接部分厚度為38mm，而這部分并不需要這么厚；其次，根據(jù)盤式永磁電機(jī)電磁關(guān)系可知，當(dāng)電機(jī)的外徑固定時(shí)，保持****電負(fù)荷不變，當(dāng)其內(nèi)外徑比值為i√3時(shí)功率****，而現(xiàn)在內(nèi)外徑之比為1：1.4，顯然未到****比值。
為了更加充分利用徑向電機(jī)內(nèi)的空間，可以減少徑向分電機(jī)功率，即增大軸向分電機(jī)的功率。由式(2)可以初步確定轉(zhuǎn)軸直徑d的大小[2]。
式中：TN——額定轉(zhuǎn)矩，這里為31.83N.m；ιt—轉(zhuǎn)軸材料允許應(yīng)力(N/mm2)。
對于45#軸鋼，ιt=70.63N／mm2，從而可以得出轉(zhuǎn)軸直徑約為38．33mm。為了滿足定子線圈端部伸出長度及絕緣距離的要求，定子內(nèi)徑與轉(zhuǎn)軸間要留有足夠距離，因此電機(jī)內(nèi)徑不小于90mm。按照軸向電機(jī)被充分利用來計(jì)算，內(nèi)徑為90mm時(shí)，外徑為156mm，因此，只要外徑大于156mm，軸向分電機(jī)即能夠得到****功率密度。這里取軸向分電機(jī)內(nèi)外徑尺寸分別為90mm和156mm。
由軸向磁通永磁同步電機(jī)電磁功率計(jì)算公式(3)可知，在電磁負(fù)荷不變時(shí)電磁功率只與其內(nèi)外徑尺寸有關(guān)[3]，這樣將內(nèi)外徑尺寸90 mm、126 mm和90 mm、156 mm分別代入，即能算出外徑為156 mm時(shí)軸向電機(jī)的功率7．888 kW。
式中：DiA、DoA——分別為盤式電機(jī)的電樞內(nèi)徑和外徑；Amax——最小半徑處的線負(fù)荷(Am)。
此時(shí)，徑向電機(jī)功率為2．112kW。用前面所述方法可得到徑向電機(jī)內(nèi)外徑分別為172mm和246mm。此時(shí)，雖然軸向電機(jī)得到了****利用，但是徑向分電機(jī)軸向長度僅為27.5mm，擋板的空間不夠。由于軸向電機(jī)功率與內(nèi)外徑成正比，所以如果按原設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，軸向電機(jī)就無法被充分利用。
如果指標(biāo)要求更高的功率，那么軸向分電機(jī)和徑向分電機(jī)就都能夠得到更加充分的利用。當(dāng)軸向電機(jī)外徑為156mm時(shí)，徑向部分的軸向長度為40，比原長度增加了12．5mm，計(jì)算可知，此時(shí)功率比原來增加了10x12．555=2．27kW。因此，當(dāng)電機(jī)的總功率需求大于12.27kw時(shí)，軸徑向電機(jī)功率密度較高的優(yōu)勢就能夠得到最充分的發(fā)揮。
此時(shí)，如果設(shè)計(jì)成普通的外轉(zhuǎn)子電機(jī)，軸向總長度需要為125mm，而軸徑向電機(jī)軸向總長為84mm。經(jīng)過計(jì)算可知，軸徑向電機(jī)的功率密度較外轉(zhuǎn)子徑向電機(jī)提高了48．8％。
因此，本文研究的軸徑磁通永磁同步電機(jī)在較大外徑和較高功率需求的場合，更能發(fā)揮其高功率密度的優(yōu)勢。
6結(jié)語
(1)根據(jù)目前圓柱式和盤式永磁電機(jī)的特點(diǎn)，提出了具有新型折疊繞絹結(jié)構(gòu)的軸徑向磁通永磁同步電機(jī)，它能進(jìn)一步提高電機(jī)的功率密度。
(2)采用有限元方法單獨(dú)設(shè)計(jì)分電機(jī)，即節(jié)省了計(jì)算時(shí)間和硬件資源，又能得到更加精確的仿真結(jié)果。
(3)對于軸徑向磁通永磁同步電機(jī)，在較大的外徑和較高的功率需求的場合更能發(fā)揮功率密度大的優(yōu)勢。
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