轴向磁通的低成本盘式永磁发电机

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1、轴向磁通的低成本盘式永磁发电机邓隐北，史谦东，王华(河南森源电气股份有限公司，河南郑州450016)摘要：文章提出了一种新型盘式电机结构，解决了轴向磁通永磁发电机的一些难题。该新结构中，采用的非铁磁材料支架，能克服作用于磁钢上的离心力，故可以提高转速以增大发电机的输出功率。新型设计的成本低，制造容易。由于这一新型结构的研制，推出了一种高速、低成本的轴向磁通永磁发电机。关键词：轴向磁通；无铁心；非铁磁材料支架；永磁发电机；磁钢0引言定子无铁心的轴向磁通永磁(AFPIM)电机，被认为是分散式发电的高效电机。在这种电机中，无铁心的定子避免了转子与定子之间磁钢和铁的直接吸引。因为无铁心损耗，这一设计

2、型式的发电机比常规电机的运转效率自然就更高。此外，结构紧凑及盘式的外形，使得此类电机特别适合于与风轮机械组合，有利于在风力发电中的推广应用。利用轴向磁通结构的发电机几乎在150年以前就已开发，然而其应用却由于某些原因被局限于分马力级功率。一个主要问题是作用在磁钢上的离心力迫使磁钢移位，故AFPM发电机的转速受到限制，导致此类发电机的低速应用，例如与风轮机直联。过去，对AFPM发电机的额定转速曾分别定于200r／min和1950r／min，为增大功率输出依靠增加极数，相应增加到28极和40极。对极数较少的AFPM电机另一种实现所需高输出的方法是提高转速。较高的转速导致定子绕组中较高的感应电压。

3、无铁心AFPM发电机通常具有小的电感值，因而电流的增加不会改变电机的性能，而较少磁钢数的优点是降低了发电机的成本。本文为求得AFPM电机的参数和性能，提出了一些必要的公式，然后设计了轴向磁通无铁心的三相永磁发电机。该发电机有两个外圆盘转子和位于转予之间的一个无铁心定子，磁钢采用稀土永磁钕铁硼(NdFeB)产生发电机所需的励磁。这些磁钢粘附在转子圆盘的两个内表面上。初步设计后，为了精密的研究，利用有限元(FEM)软件，分析电机的两维(2一D)模式。按照FEM的分析结果，一方面能计算电机的参数，另一方面可研究电机的原型(样机)试验程序。为了克服作用在电机磁钢上的离心力，设计并制造了一种非铁磁材料

4、的支架，最后通过实验获得了电机的性能。期望借助非铁磁性支架，能以低的成本制成高速的AFPM发电机。高速驱动发电机时，能得到较高的输出功率。在给定的频率下，较高的转速归因于较少的磁极对数，磁极数的减少，当然就降低了造价。1无铁心定子的轴向磁通永磁结构图1为AFPM电机的三维图形，配有两个外转子圆盘和转子之间的一个无铁心定子。如图所示，矩形的NdFeB高能磁钢粘附在两个转子圆盘的内表面。图l所示的轴径未按比例，仅说明AFPM电机的内径相对较大。．51．圉2所示的转子磁极(N、S极性)交叉配置。圆盘的内、#径和外半径分别表示为R．和月。。图l电机的定予绕组无铁心，定f绕组表而与电机轴垂直。绕组的绕

5、制有小同的方刘、。率研究中采用了三相的单层梯形绕组。咀这一绕组形式，仅线卷的边置于特定窄间(或置r带铁心定子的槽中)。极对数12的电机一相线卷的典型布置如图3所小。另两相按第一相相隔±1204电角度进行布置。圈I轴向磁通电机结构罔212对碰极AFPM电机转于内表面的磁极分布2等值电路无铁心AFPM电机的罐相等值电路如图4所ji。在这一电路中，Rs、Ls⋯ev。和b分别表示定子电阻、定子电感、气隙中水磁基波磁通

6、巾链数产生的感应电势、基波的瞬时十口电压和相电流。定子涡流损耗的等值电阻以风表示。图3采用单层梯形绕组的12对磁饭AFPM电机中，一相线卷的分靠图圈4(a)等值电路(b)按虚线闭赍的2

7、DFEM分析所得的等值电路同步电感如由电枢反应电感厶和总的漏电感LI组成，厶表示如下：厶=厶，十‘d+厶。(1)式中：“，、“a和L-。分别表示释向漏电感、导体周圆径向的差漏电感咀及端绕组的漏电感。与常规有槽的电机不同，无铁心或无槽的电机中漏电感和互感无明确定义，故以精确的公式表示厶，、Lld和Ll。很重要。利用二维有限元分析，互感和漏磁通匝链数均可得到．但小能求得端绕组的电感。为了计算端绕组的漏电感，本文利用r基于储存在端接头能量的数字评估方法，现在可将无铁心电机的同步电感分成：La+Llr+Lld+L1。和端绕组漏电感Ll。。作为图4a的近似，将风移到上d。的左边，然后用2D．PEM能对

8、图4b虚线包围的等值电路直接计算其全部参数值。3计算等值电路电感的FEM法如前所述，采用2D．FEM分析，能考虑到互感和漏磁通，还剩下端绕组漏磁通部分。相绕组的总定子磁通％掰包含端绕组漏磁通，利用Stokes定理计算，也即‰=忌口·di2JlV×A·酊=啦A·dz(2)式中，及彳、S和Z’分别为磁通密度、磁势矢量、绕组表面积以及外部面积的长度。利用近似法，藉求出每线卷边最大磁势矢量值之间的差，能计算出一相线卷