向全所，鄧秋玲，b，劉 婷，b，肖意南，龍 夏，楊國靈，廖宇琦，艾文豪

（湖南工程學院a.電氣與信息工程學院；b.風力發(fā)電機組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411101）

0 引言

相比于傳統(tǒng)徑向磁場電機，軸向磁場電機具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)矩密度高、功率密度高和軸向長度短的優(yōu)點［1-3］.軸向磁場電機與傳統(tǒng)徑向磁場電機的主要區(qū)別是，軸向磁場電機的磁場方向是軸向通過氣隙的，定子和轉(zhuǎn)子均是盤形的，也稱為盤式電機［4］.目前國內(nèi)對于軸向磁場電機的研究相對較少，已有的研究中也大多是采用無定子鐵心，雖然減小了定子磁滯損耗和渦流損耗，轉(zhuǎn)子鐵心損耗和噪聲也降低了［5-8］.另一方面，通過使用無鐵心定子，繞組電感變得更小，并且需要更強或更多的永磁體來產(chǎn)生相同的磁場，使得盤式電機的制造成本提高，這也限制了大容量軸向磁場電機的發(fā)展.

隨著新材料的問世，軸向磁場電機越來越得到重視.例如，采用導(dǎo)磁性能較好的粉末冶金軟磁材料（SMC）作為定子鐵心槽楔，可以降低氣隙磁導(dǎo)的變化率［9-11］.非晶合金作為一種新型導(dǎo)磁材料，具有低鐵耗的優(yōu)勢，將其用作電機的鐵心可以顯著提高電機的效率［12-14］.基于以上優(yōu)勢，本文擬設(shè)計一臺10 kW 軸向磁場永磁電機，并用有限元分析方法對電機進行優(yōu)化，為進一步生產(chǎn)樣機打好基礎(chǔ).

1 軸向磁場永磁同步電機的結(jié)構(gòu)

單定子雙轉(zhuǎn)子軸向磁場電機是一種典型結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，兩個轉(zhuǎn)子盤由低碳鋼制成，表面裝有磁鋼，定子盤在兩轉(zhuǎn)子盤中間.本文提議的電機定子盤由非晶合金材料轉(zhuǎn)繞形成鐵芯，集中線圈以扇形方式纏繞在鐵心上.其磁路結(jié)構(gòu)有NN 和NS 兩種情況，如圖2 所示.具有NN 型磁路結(jié)構(gòu)的電機實際上相當于兩臺電機并聯(lián)運行，具有兩套定子繞組，當一組繞組出現(xiàn)故障時，另一組定子繞組還可以繼續(xù)工作，因而具有一定的容錯性.本文以這種結(jié)構(gòu)的軸向磁場電機為例來進行研究.

圖1 單定子雙轉(zhuǎn)子軸向磁場電機的結(jié)構(gòu)

圖2 軸向磁場電機的磁路結(jié)構(gòu)

2 電機的電磁設(shè)計

本文研究的非晶軸向磁場電機為TORUS 結(jié)構(gòu)，電機磁路為N-N 形，定子采用開口槽，繞組為平嵌，磁鋼為表貼式，扇形結(jié)構(gòu).選取電機的極對數(shù)P=16，額定轉(zhuǎn)速為v=3600 r/min.

2.1 電機的外徑確定

由于電機具有兩個相對獨立對稱的磁路，因此可以利用單轉(zhuǎn)子單定子軸向磁場電機的設(shè)計程序來確定電機的主要尺寸.軸向磁場電機的功率和轉(zhuǎn)矩方程式分別可用式（1）和式（2）來表示

式中：Kp為電機反電動勢和電流的波形系數(shù)；Ke為繞組系數(shù)；v為電機的轉(zhuǎn)速；Kr為定子內(nèi)徑與外徑的比值；η為電機效率.

由式（1）和式（2）可知電機的功率很大程度與電負荷A和氣隙磁場Bg取值有關(guān).

由式（2）可推導(dǎo)出定子外徑公式（3）為

2.2 電機軸向長度的確定

軸向磁場電機為雙轉(zhuǎn)子單定子結(jié)構(gòu)，電機的軸向長度包括了兩個氣隙長度、兩個轉(zhuǎn)子長度和一個定子的長度，如圖3 所示.因為電機結(jié)構(gòu)和磁路的對稱性特點，在計算電機的軸向長度時，只需要計算電機一半的長度即可.電機的定子部分由非晶材料制成，考慮到經(jīng)濟性和滿足電機性能的要求，盡量將定子鐵心厚度最小化.

圖3 軸向磁場電機的軸向長度組成

軸向磁場電機的軸向長度為

式中：LS為定子鐵心的軸向長度；Lor為轉(zhuǎn)子的軸向長度；Lm為磁鋼充磁方向的長度；δair為單氣隙長度.

定子鐵心的長度和轉(zhuǎn)子鐵心的厚度可以通過磁通的關(guān)系求得，即

式中：BS為永磁體表面磁密，B1max為轉(zhuǎn)子鐵心的最大磁密，Bg為氣隙磁密，B2max為定子鐵心最大磁密.

電機主要尺寸確定以后，其他的參數(shù)可以參考常規(guī)的徑向磁場永磁同步電機的設(shè)計公式來確定.最后得到的10 kW 軸向磁場永磁電機風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示.

表2 電機的主要參數(shù)

3 軸向磁場永磁電機的仿真分析

3.1 電機建模

本文采用ANSYS Maxwell 軟件對電機模型進行有限元仿真分析.在電機的設(shè)計參數(shù)初步確定以后，通過solidworks 建立軸向磁場永磁同步發(fā)電機的模型，然后將模型導(dǎo)入到Maxwell 3D 中.圖4（a）為導(dǎo)入Maxwell 3D 中電機的完整模型，考慮到全模型有限元分析需要進行大量的運算，而且也需要耗費很長的時間，計劃將模型剖分為全模型的1/16，如圖4（b）所示.

圖4 電機3D模型圖

3.2 仿真結(jié)果分析

運用Ansoft Maxwell 軟件對軸向磁場永磁同步電機三維模型進行動態(tài)有限元仿真，可得到不同時刻、不同位置的磁密分布，如圖5 所示，所提議的電機在某時刻的最大磁密為1.72 T，沒有出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象，證明電機設(shè)計合理.

圖5 電機磁密分布云圖

軸向磁場電機的氣隙磁密是一個與位置、半徑有關(guān)的三維圖.通過對平均半徑處的弧線參數(shù)化掃描，從電機內(nèi)徑掃描到電機外徑之間，從而得到軸向磁場電機不同半徑處氣隙磁場密度，如圖6 所示.可以看到在不同半徑處的氣隙磁密是不一樣的.圖7 顯示了在平均半徑處電機的氣隙磁密波形.可以看出氣隙磁密正弦性不是很好，這是由于開槽引起的氣隙磁導(dǎo)不均勻所致.

圖6 軸向磁場電機氣隙磁密

圖7 平均半徑處的氣隙磁密

由于氣隙磁密能夠反映電機能量交換的大小和能量交換的質(zhì)量.為了使電機氣隙磁密有更好的正弦性，在電機定子開口槽中使用磁性槽楔封閉，則可以減少氣隙磁導(dǎo)的變化率，還可以減弱齒槽轉(zhuǎn)矩.通過在槽口分別使用0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm 厚槽楔，并進行仿真分析，得到圖8 所示的不同槽楔厚度下電機的氣隙磁密波形.從圖中可以看出，通過在電機定子槽口增加磁化槽楔后，四種不同槽楔厚度下的氣隙磁密波形都得到很大的改善，側(cè)面驗證了齒槽轉(zhuǎn)矩與氣隙磁密有很大的關(guān)聯(lián).故永磁電機的齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化可以結(jié)合電機氣隙磁密波形優(yōu)化來考慮.

圖8 不同槽楔厚度下電機的氣隙磁密

空載特性是電機的基本性能.把電機的轉(zhuǎn)速設(shè)置為同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子中的永磁體切割定子線圈，在定子中感應(yīng)出反電動勢，其電動勢波形如圖9 所示.將A 相反電動勢進行傅里葉分解得到圖10.從空載狀態(tài)來看，電機的三相反電動勢波形具有更好的正弦性和更少的諧波含量，考慮到齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化后會減少空載反電動勢，電動勢峰值比設(shè)計時的額定電壓稍大.

圖9 電機的空載反電動勢波形

圖10 空載反電動勢諧波分析

圖11 為未優(yōu)化的電機的齒槽轉(zhuǎn)矩波形，齒槽轉(zhuǎn)矩比較大，最大達到了10 N·m，在對電機采用添加2 mm厚磁性槽楔后，電機的齒槽轉(zhuǎn)矩降到了0.15 N·m，如圖12 所示.相比優(yōu)化前，電機的齒槽轉(zhuǎn)矩減小了98.5%.

圖11 電機未優(yōu)化時的齒槽轉(zhuǎn)矩

圖12 電機優(yōu)化后的齒槽轉(zhuǎn)矩

4 軸向磁場電機鐵耗分析

為了比較電機定子采用非晶材料與傳統(tǒng)硅鋼片材料鐵耗的大小，在前面提出的電機模型中，其他設(shè)置不變，僅改變定子材料，一組為非晶材料2605SA1，另外一組為硅鋼片DW465_50.兩個模型設(shè)置為相同的激勵，在設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速時，比較兩組的鐵耗大小.

從圖13 中可以看出，同一電機模型采取不同材料時的鐵心損耗相差很大，在低速500 rpm 時，非晶電機的鐵心損耗在28 W 左右，硅鋼材料的鐵心損耗在500 W 以上.而電機在2500 rpm 時，非晶電機的鐵心損耗在300 W 左右，而硅鋼材料的鐵心損耗在15 kW 左右.隨著電機轉(zhuǎn)速上升，電機的鐵心損耗也增大.相比硅鋼片材料，采用非晶材料電機的鐵耗大大減小，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加，使用硅鋼片材料電機的鐵耗增加得更快.

圖13 空載電機鐵耗

通過鐵耗的仿真結(jié)果對比，可以直觀地看出非晶材料電機的鐵耗要遠遠小于硅鋼片材料電機的鐵耗，由此驗證了非晶材料電機的節(jié)能效果.

5 非晶軸向磁場電機的制造工藝

5.1 定子的制造工藝

本文采用的非晶材料為厚度只有25 μm 的帶狀材質(zhì)，并表現(xiàn)出非常高的硬度.由于材質(zhì)較脆，因此需要進行特殊的工藝處理.制作工藝包括纏繞帶狀非晶材料、非晶材料涂層、非晶定子的固化、非晶鐵心的熱處理和非晶鐵心的切割.帶狀非晶材料從定子內(nèi)徑大小處開始轉(zhuǎn)繞，一層一層疊加，直至疊加到定子外徑大小處停止.在轉(zhuǎn)繞的同時在非晶材料的表面噴涂膠水，同時施加一定的壓力，讓轉(zhuǎn)繞的非晶材料之間相互貼合，減少間隙的大小，保證疊加系數(shù).定子轉(zhuǎn)繞成型之后進行定子材料的固化，固化處理完后需要進行熱處理，以降低轉(zhuǎn)繞工藝對非晶材料性能的影響.

非晶定子材料的獨特性能，只適合對定子進行線切割成槽，與常用的硅鋼片相比，非晶材料的機械強度仍然有限，材質(zhì)脆硬.定子采取卷繞的方式制成，定子的外徑大小公差達到2 mm.如果采取傳統(tǒng)電機定子和機殼過盈配合，定子和機殼的配合明顯會失效.由于氣隙的軸向長度較短，需要容納集中繞組和軸，空間非常有限，只有澆注足夠量的耐高溫的非磁性非導(dǎo)電材料環(huán)氧樹脂將定子和基座固定，如圖14 所示.凝固的環(huán)氧樹脂將定子鐵心、繞組、機殼三者固定為一個整體，這樣填充的環(huán)氧樹脂也成為散熱的介質(zhì)，能夠均勻地將熱量傳遞到機殼上面，有利于電機散熱.

圖14 定子和機座的固定

5.2 轉(zhuǎn)子的加工工藝與應(yīng)力分析

5.2.1 磁鋼的安裝固定

如圖15 所示，由于兩個轉(zhuǎn)子盤處在定子的兩側(cè)，要保持兩個氣隙大小一致，需要經(jīng)過精心設(shè)計，仔細校核，保證兩氣隙長度在一個合適的誤差范圍.

圖15 轉(zhuǎn)子的安裝示意圖

如圖16 所示，每個轉(zhuǎn)子盤上有32 個交替極性的磁鋼，粘貼在轉(zhuǎn)子盤表面上.為了使其緊固在表面，需要另外涂抹粘連的膠.眾所周知，溫度升高，膠的性能會變差，在高溫條件下，粘連膠的最大允許應(yīng)力明顯降低.為此電機的散熱性能要好，并且考慮到磁鋼高溫退磁的可能性，允許溫升控制在120 ℃范圍內(nèi).兩個轉(zhuǎn)子盤上的磁鋼應(yīng)該精確相對，則需要特別設(shè)計一個磁鋼盤，磁鋼盤上開有磁鋼大小的孔，磁鋼可以鑲嵌在磁鋼盤上.通過將兩個磁鋼盤進行定位，就能保證兩個轉(zhuǎn)子邊的磁鋼對齊.開有孔的磁鋼盤的另一個功能是，在高速旋轉(zhuǎn)時，能夠在切向方向支撐磁鋼.

圖16 磁鋼與轉(zhuǎn)子盤圖

5.2.2 轉(zhuǎn)子磁鋼的應(yīng)力分析

轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時，磁鋼是否可靠地粘連在轉(zhuǎn)子盤上，需要通過轉(zhuǎn)子和粘膠劑性能試驗來驗證.下面將通過workbench 來仿真磁鋼和轉(zhuǎn)子盤的應(yīng)力情況.分析基于三維有限元法.取一塊磁鋼和對應(yīng)的轉(zhuǎn)子盤，通過設(shè)置轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，得到的仿真結(jié)果如圖17 所示，其中磁鋼和轉(zhuǎn)子盤最大應(yīng)力為4.89e12Pa，滿足安全條件.

圖17 磁鋼應(yīng)力仿真圖

6 結(jié)論

本文設(shè)計的這臺10 kW 雙轉(zhuǎn)子單定子軸向磁場電機，通過solidworks 建立了電機模型，通過Maxwell 3D 對電機進行了仿真分析，結(jié)果表明：當磁性槽楔的厚度達到2 mm 時，電機的齒槽轉(zhuǎn)矩降低了98.5%，電機的氣隙磁密也得到明顯的改善，諧波大大減小.當定子鐵心采用非晶材料時，電機的鐵心損耗大大地降低，證明了非晶材料電機具有明顯的低損耗的優(yōu)點.最后，通過采用workbench 仿真了磁鋼和轉(zhuǎn)子盤的應(yīng)力分布情況，證明了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性.