軸向磁通的低成本盤式永磁發(fā)電機
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結(jié)構(gòu)，解決了軸向磁通永磁發(fā)電機的一些難題。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)電機的輸出功率。新型設(shè)計的成本低，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。
關(guān)鍵詞：軸向磁通；無鐵心；非鐵磁材料支架；永磁發(fā)電機；磁鋼
O 引言
定子無鐵心的軸向磁通永磁(AFPM)電機，被認為是分散式發(fā)電的高效電機。在這種電機中，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。因為無鐵心損耗，這一設(shè)計型式的發(fā)電機比常規(guī)電機的運轉(zhuǎn)效率自然就更高。此外，結(jié)構(gòu)緊湊及盤式的外形，使得此類電機特別適合于與風輪機械組合，有利于在風力發(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)電機的轉(zhuǎn)速受到限制，導致此類發(fā)電機的低速應(yīng)用，例如與風輪機直聯(lián)。過去，對AFPM發(fā)電機的額定轉(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電機另一種實現(xiàn)所需高輸出的方法是提高轉(zhuǎn)速。較高的轉(zhuǎn)速導致定子繞組中較高的感應(yīng)電壓。無鐵心AFPM發(fā)電機通常具有小的電感值，因而電流的增加不會改變電機的性能，而較少磁鋼數(shù)的優(yōu)點是降低了發(fā)電機的成本。
本文為求得AFPM電機的參數(shù)和性能，提出了一些必要的公式，然后設(shè)計了軸向磁通無鐵心的三相永磁發(fā)電機。該發(fā)電機有兩個外圓盤轉(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)計后，為了精密的研究，利用有限元(FEM)軟件，分析電機的兩維(2-D)模式。按照FEM的分析結(jié)果，一方面能計算電機的參數(shù)，另一方面可研究電機的原型(樣機)試驗程序。為了克服作用在電機磁鋼上的離心力，設(shè)計并制造了一種非鐵磁材料的支架，最后通過實驗獲得了電機的性能。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。高速驅(qū)動發(fā)電機時，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電機的定子繞組無鐵心，定子繞組表面與電機軸垂直。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。電角度進行布置。
2 等值電路
無鐵心AFPM電機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)有槽的電機不同，無鐵心或無槽的電機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。
利用二維有限元分析，互感和漏磁通匝鏈數(shù)均可得到，但不能求得端繞組的電感。為了計算端繞組的漏電感，本文利用了基于儲存在端接頭能量的數(shù)字評估方法，現(xiàn)在可將無鐵心電機的同步電感分成：La+L1+L1d+Lle和端繞組漏電感L1e。
作為圖4a的近似，將Re移到L1e的左邊，然后用2D-FEM能對圖4b虛線包圍的等值電路直
接計算其全部參數(shù)值。
3計算等值電路電感的FEM法
如前所述，采用2D-FEM分析，能考慮到互感和漏磁通，還剩下端繞組漏磁通部分。相繞組
的總定子磁通ψABC包含端繞組漏磁通，利用Stokes定理計算，也即
式中，B、A、S和l’分別為磁通密度、磁勢矢量、繞組表面積以及外部面積的長度。
利用近似法，藉求出每線卷邊****磁勢矢量值之間的差，能計算出一相線卷的漏磁通。在線卷不太薄的情況下，線卷橫截面積中的磁勢矢量是改變的，故應(yīng)利用平均的磁勢矢量值。對第一級的三角元、匝數(shù)N、面積S和長度l的線卷漏磁通，由下式給出：
式中，Aij——三角元Δj磁勢矢量的節(jié)點值；ζ——進／出平面的積分方向，ζ=+1或ζ=-1；Δj---三角元j的面積；n一進／出線卷面積的元件總數(shù)。對AFPM電機，由于對稱，僅對一個磁極建模，相繞組的總漏磁通為：
式中，u——磁極區(qū)內(nèi)網(wǎng)格化線卷面積的總元件數(shù)；ap——定子繞組的并聯(lián)支路數(shù)；為利用FEM計算漏磁通，必須特定電機的相電流I=xxxxx。該電流的幅值可由給出的銅損耗Pcu確定�；陔姍C的理論分析，由下式預定為：
式中，電流角Φ=90。，假定為平衡的電阻負載，用己知的電流分量幅值Id和Iq，瞬時的三相電流iabc，并按轉(zhuǎn)子位置輸入有限元程序，可計算出：
直軸電感和橫軸電感表示如下：
式中，Ψ--由磁鋼產(chǎn)生的磁通。
4典型發(fā)電機的設(shè)計及其參數(shù)的計算
一般在AFPM電機的設(shè)計中，電機的帶量綱(尺寸)的方程關(guān)系到目標函數(shù)的選擇。所研制的發(fā)電機優(yōu)化設(shè)計的主要目的是達到****的輸出功率。為實現(xiàn)這一一目的，提出下面的公式：
式中，Kd=Ri／Ro——電機的內(nèi)半徑與外半徑的比。按照這一比例和列于表1的磁鋼尺寸，可確定電機的內(nèi)半徑和外半徑。結(jié)果與所設(shè)計電機的其它參數(shù)一起列入表1。
對于盤式發(fā)電機的2D-FEM分析，首先以其適中的半徑切割電機，然后考慮電機的極距，這一分析不含定子繞組的端接頭，定子的端繞組關(guān)系到轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生(電動機方式)或電壓的感應(yīng)(發(fā)電機方式)。端繞組產(chǎn)生歐姆損耗，在電機的效率計算中將考慮這一效應(yīng)。由表l給出的電機尺寸，以FEM軟件執(zhí)行電機的2D—FEM模式分析。圖5是電機一極距內(nèi)顯示的磁通線 。
以Cas tesion氣隙元(CAGE)法進行氣隙區(qū)的建模。圖6為網(wǎng)格化的繞組及其層數(shù)。各層的磁場軸向和切向分量的波形分別如圖7、圖8所示。
借助這些圖中波形的傅里葉級數(shù)分析，得到諧波分量。然后利用文獻[11]所述方法，計算渦流損耗。計算所設(shè)計發(fā)電機的各項參數(shù)，如表2表示。
5所設(shè)計發(fā)電機的原型(樣機)及試驗。
作用在磁鋼上的離心力隨著轉(zhuǎn)子速度的增加而增加，故在以前的AFPM發(fā)電機結(jié)構(gòu)中，當轉(zhuǎn)速超過1500r/min時其運轉(zhuǎn)是不安全的。
本文提出的設(shè)計，成本低，結(jié)構(gòu)簡單。為克服作用于磁鋼的離心力(磁鋼粘貼在轉(zhuǎn)子圓盤的內(nèi)表面)，設(shè)計一個非鐵磁材料的磁鋼支架，其三維圖像如圖9所示。這一支架用細絲固定到轉(zhuǎn)子圓盤上。由此確保磁鋼不會在旋轉(zhuǎn)時發(fā)生位移。發(fā)電機的轉(zhuǎn)速升高可達原限速的2倍。圖10為帶磁鋼及非鐵磁支架的轉(zhuǎn)予圓盤。
通過試驗以獲得不同轉(zhuǎn)速下的發(fā)電機性能。速度的變化范圍從零到額定轉(zhuǎn)速3000r/min，進行了空載和負載兩種試驗形式，負載試驗時采用了10Ω的電阻負載。
研制的發(fā)電機與三相感應(yīng)電動機耦合聯(lián)接，如圖11所示，感應(yīng)電動機的速度藉助可改變頻率的變頻器來調(diào)控。研制的這臺發(fā)電機相當小，發(fā)電機的實際厚度由圖11機座上標出的箭頭表示。
額定轉(zhuǎn)速下發(fā)電機的頻率為300Hz。圖12表示600 r/min時輸出相電壓的波形。為便于比較，預定的波形也如圖12a所示。
發(fā)電機的實驗結(jié)果列于表3。從圖12中可看到輸出的波形有諧波，計算輸出功率時只利用輸出波形的基波分量，表3的右邊列出負載試驗時，不同轉(zhuǎn)速下基波輸出的峰-峰值。
圖13表示輸出功率的實測值和預定值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。圖14所示為實測的和預定的效率與速度的關(guān)系。由圖可見，輸出功率和效率均隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，在3000 r/min時，效率達到百分之78．1，因為無鐵心損耗，無鐵心電機的效率高于有鐵心電機的效率。研制的發(fā)電機相當小。原型(樣機)發(fā)電機的實驗特性參數(shù)列于表4。
6 結(jié)語
本文闡述了無鐵心定子的軸向磁通永磁(AFPM)電機，并從理論上設(shè)計了一臺典型的發(fā)電機。接著，利用二維有限元法(2D-FEM)，分析、計算了發(fā)電機的各項參數(shù)。發(fā)電機試制后，通過試驗對發(fā)電機的性能進行了評估。AFPM發(fā)電機通常由低速驅(qū)動，為了提高輸出功率，需要增多發(fā)電機的磁極對數(shù)。所設(shè)計發(fā)電機的一個特點是使用了一個非鐵磁材料的磁鋼支架，旨在轉(zhuǎn)子圓盤旋轉(zhuǎn)時能克服作用在磁鋼上的離心力，因而有可能在高速下驅(qū)動這種發(fā)電機，高轉(zhuǎn)速下輸出功率增加，故無必要使用較多的磁鋼來增加磁極對數(shù)。原型發(fā)電機尺寸相當小且便宜，較低的成本也有助于這種電機在國內(nèi)推廣，甚至家用。
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