曹永娟， 黃允凱， 金 龍

(1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京 210096;

2.南京信息工程大學(xué)電氣工程系，江蘇南京 210044)

軸向磁場無鐵心永磁電機(jī)電磁力及轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度的研究

曹永娟1，2， 黃允凱1， 金 龍1

(1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京 210096;

2.南京信息工程大學(xué)電氣工程系，江蘇南京 210044)

軸向磁場永磁電機(jī)因其結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高等優(yōu)點獲得越來越多的應(yīng)用，對于無鐵心軸向磁場永磁電機(jī)，轉(zhuǎn)子盤體之間的軸向電磁力有可能會引起轉(zhuǎn)子的變形，從而影響電機(jī)運行的可靠性。研究了軸向磁場無鐵心永磁電機(jī)的電磁場及轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度，利用有限元分析方法和解析方法計算了電機(jī)兩個外轉(zhuǎn)子之間的電磁力。將該電磁力作用于轉(zhuǎn)子盤上，利用結(jié)構(gòu)有限元分析方法仿真分析轉(zhuǎn)子盤體應(yīng)力及最大變形，為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

軸向磁場;無鐵心;軸向電磁力;應(yīng)力分析

0 引言

軸向磁場永磁同步電機(jī)因其較高的轉(zhuǎn)矩密度和良好的動態(tài)響應(yīng)特性，在各種驅(qū)動、伺服和控制領(lǐng)域得到了迅速推廣和應(yīng)用［1-2］，軸向磁場永磁同步電機(jī)有多種結(jié)構(gòu)形式，按照定轉(zhuǎn)子數(shù)量和相對位置可大致分為4種:單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，雙轉(zhuǎn)子單定子結(jié)構(gòu)，雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及多盤式結(jié)構(gòu)［3］。為了克服單邊磁拉力，減少漏磁，本文研究的是一種中間定子結(jié)構(gòu)，其特點是由雙轉(zhuǎn)子和單定子組成的雙氣隙結(jié)構(gòu)，電機(jī)結(jié)構(gòu)對稱，兩側(cè)的永磁體N-S對等放置，此結(jié)構(gòu)的磁通不需要利用中間定子鐵心來形成閉合磁路，因此定子鐵心厚度可以非常小，由此衍生出軸向磁場無鐵心永磁電機(jī)。該電機(jī)由于定子無鐵心無槽，所以沒有齒槽轉(zhuǎn)矩和定子鐵心損耗，因此具有更高的效率;而且重量更輕，功率密度更高。

很多文獻(xiàn)已經(jīng)報道了軸向磁場無鐵心永磁電機(jī)的相關(guān)研究［4-7］，主要集中在電磁分析、性能計算及優(yōu)化設(shè)計等方面。在對軸向磁場無鐵心永磁電機(jī)優(yōu)化設(shè)計過程中，以功率密度為優(yōu)化目標(biāo)，如果不考慮機(jī)械強(qiáng)度的限制，僅從電磁場角度優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計的結(jié)果可能使轉(zhuǎn)子盤體很薄。在電機(jī)運行過程中，轉(zhuǎn)子盤體受到軸向電磁力的作用，在該力的作用下，很薄的盤體將產(chǎn)生軸向變形，變形過大將影響電機(jī)的正常運行。因此，在軸向磁場無鐵心永磁電機(jī)優(yōu)化設(shè)計過程中，準(zhǔn)確分析轉(zhuǎn)子盤體受力及最大變形非常重要。本文利用有限元分析方法和解析方法對軸向磁場無鐵心永磁電機(jī)的電磁場、軸向電磁力進(jìn)行分析計算;利用結(jié)構(gòu)有限元分析方法對轉(zhuǎn)子盤體應(yīng)力分布及變形進(jìn)行研究，為軸向磁場無鐵心永磁電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計提供保障和依據(jù)。

1 軸向電磁力的分析與計算

1.1 利用有限元方法計算軸向電磁力

軸向磁場永磁電機(jī)氣隙磁場在定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生軸向電磁力，引起電機(jī)結(jié)構(gòu)振動并產(chǎn)生噪聲，即電磁噪聲。為了計算軸向磁場永磁電動機(jī)氣隙中的電磁力，首先應(yīng)計算軸向磁場永磁電動機(jī)的電磁場分布，軸向磁場永磁電動機(jī)磁場分布比較復(fù)雜，加上軸向磁場電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，使得分析電磁場時不能像常規(guī)徑向電機(jī)那樣在電機(jī)主軸上截取某一平面分析二維電磁場，而必須從三維場的角度考慮問題。

有限元分析軟件ANSOFT Maxwell 3D通過建立電機(jī)三維模型，定義材料屬性，設(shè)定求解邊界，網(wǎng)格劃分等步驟，可自動求解氣隙磁密，轉(zhuǎn)矩及電磁力等參數(shù)。

圖1所示為所研究的軸向磁場無鐵心永磁電機(jī)的三維模型，轉(zhuǎn)子盤上的扇形永磁體由高磁能積、高矯頑力的釹鐵硼所構(gòu)成，對其軸向充磁，相對兩塊極性相反，同一盤體上相鄰兩塊極性也相反，磁通從一塊轉(zhuǎn)子盤1上永磁體N極出發(fā)，經(jīng)過中間無鐵心定子，到達(dá)另一塊轉(zhuǎn)子盤2上的S極，N極，最后回到轉(zhuǎn)子盤1上的S極，如此形成一個閉合磁路。無鐵心定子繞組由三相分布繞組所構(gòu)成，通過環(huán)氧樹脂固化。

圖1 軸向磁場無鐵心永磁電機(jī)三維模型

電機(jī)主要的尺寸如表1所示。

表1 電機(jī)主要尺寸參數(shù)

通過ANSOFT軟件的后處理功能，氣隙磁密波形如圖2所示，最大磁密為0.63 T。在轉(zhuǎn)子盤上設(shè)置參數(shù)“force”，后處理中可以得到如下結(jié)果:

從結(jié)果表達(dá)式(1)中，可以看出Z軸分量為電磁力的主要分量，即電磁力主要是沿著軸向方向的。

圖2 氣隙磁場密度分布波形

1.2 利用解析公式計算軸向電磁力

軸向電磁力也可以由解析公式計算得到［4］:

式中:Bmg——氣隙磁密最大值;

μ0——氣隙磁導(dǎo)率。

從圖2可看出，樣機(jī)的最大磁密值為0.63 T。

SPM為永磁體所占有效面積:

式中:αi——極弧系數(shù)，本樣機(jī)取為 0.8。

比較計算結(jié)果(1)和(4)，可以看出，通過解析公式計算出來的結(jié)果與利用有限元軟件后處理功能計算出來的結(jié)果是一致的。

2 轉(zhuǎn)子盤體機(jī)械強(qiáng)度分析

電機(jī)關(guān)鍵零部件的機(jī)械強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)剛度的分析計算是電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要部分，是保證電機(jī)安全運行的一個重要手段。轉(zhuǎn)子盤體是軸向磁場無鐵心永磁電機(jī)的核心部件，其機(jī)械強(qiáng)度的優(yōu)劣直接影響軸向磁場電機(jī)的正常運行及可靠性。在保證轉(zhuǎn)子盤體剛度、強(qiáng)度的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量減小其軸向長度，縮小電機(jī)的整體體積，增加電機(jī)的功率密度，這是電機(jī)優(yōu)化設(shè)計的任務(wù)之一。在分析軸向電磁力等基礎(chǔ)上，運用ANSYS有限元分析軟件對轉(zhuǎn)子盤體的應(yīng)力和變形分布規(guī)律進(jìn)行分析研究，為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，對提高無鐵心盤式永磁電機(jī)的功率密度具有重要意義［4］。

為了觀察由于軸向磁拉力所引起的最大應(yīng)力和變形，本文利用ANSYS有限元分析軟件中的靜態(tài)有限元分析功能來實現(xiàn)分析。轉(zhuǎn)子盤體的材料特性如下:彈性模量為200 GPa，泊松比為0.27。ANSYS軟件可以按用戶的需要自動生成各種網(wǎng)格，本計算選取20節(jié)點三維六面體單元SOLID92，對模型進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分;然后將大小為1 550 N的軸向磁拉力施加于轉(zhuǎn)子盤體表面所有節(jié)點上，對其進(jìn)行靜態(tài)有限元分析，如圖3所示。

圖4顯示出了所分析樣機(jī)的應(yīng)力分布及變形，從圖4可以看出，在1 550 N軸向磁拉力作用下，6 mm厚的轉(zhuǎn)子盤體最大變形為0.067 8 mm，最大應(yīng)力為492.908 kPa，可滿足轉(zhuǎn)子盤體機(jī)械強(qiáng)度的要求。

3 結(jié)語

利用有限元分析軟件，建立了無鐵心軸向磁場永磁電機(jī)的三維模型，通過后處理功能，獲得電機(jī)氣隙磁通密度及軸向磁拉力;利用解析計算方法，也可獲得軸向磁拉力大小;經(jīng)過對比分析，有限元方法和解析方法求解結(jié)果一致。

利用ANSYS有限元分析軟件，建立軸向磁場無鐵心永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子盤體三維模型，施加相應(yīng)的軸向磁拉力，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得出整個轉(zhuǎn)子盤體的應(yīng)力及變形分布，為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)，對提高無鐵心軸向磁場永磁電機(jī)的功率密度具有重要意義。

［1］EASTHAM J F，PROFUMO F，TENCONO A，et al.Novel axial flux machine for aircraft drive:Design and modeling［J］.IEEE trans on magnetics，2002.

［2］CHAN T F.An axial-flux permanent-magnet synchronous generator for a direct-coupled wind-turbine system［J］.IEEE trans on energy conversion，2007，22(1):86-94.

［3］AYDIN M，HUANG S，LIPO T A.Torque quality and comparison of internal and external rotor axial flux surface-magnet disc machines［J］.IEEE transactions on industrial electronics，2006，53(3):822-830.

［4］GIERAS J F，WANG R J，KAMPER M J.Axial fulx permanent magnet brushless machines［J］.Springer Science+Business Media B V，Norwell，2008:153.

［5］JAVADI S，MIRSALIM M.A coreless axial-flux permanentmagnet generator for automotive applications［J］.IEEE transactions on magnetics，2008，44(12):4591-4598.

［6］LOMBARD N F，KAMPER M J.Analysis and performance of an ironless stator axial flux PM machine［J］.IEEE transactions on energy conversion，1999，14(4):1051-1056.

［7］唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

Research on Axial Magnetic Force and Rotor Mechanical Stress of an Air-Cored Axial-Flux Permanent Magnet Machine

CAO Yongjuan1，2，HUANG Yunkai1，JIN Long1
(1.School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China;
2.Department of Electrical Engineering，Nanjing University of Information Science＆ Technology，Nanjing 210044，China)

Due to its compact construction and high power density，the axial-flux permanent-magnet(AFPM)machine with coreless stator has obtained more and more attention and interest from researchers.For an AFPM machine with coreless stator，the axial magnetic attraction force may cause the rotors'deflection and affect the machine's reliability.The magnetic field and the rotor mechanical strength of a coreless stator AFPM machine were studied.Finite-element method and analytic method were both used to calculate the axial attraction magnetic force between the two rotor discs.Structure finite-element analysis was used to simulate the maximum stress and deflection due to the axial magnetic force.The research was very significant to the power density elevation of the AFPM machine.

axial-flux permanent-magnet(AFPM);coreless stator;axial magnetic force;stress analysis

TM 351

A

1673-6540(2012)09-0010-03

2012-02-23