轴向永磁电机的设计方法.docx

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1、轴向永磁电机的设计方法轴向磁通永磁电机的电磁设计J.R. Bumby,R.Martin,M.A Mueller,E.Spooner,N.LBrown and BJ. Chalmers摘要：一般，轴向磁通发电机提供了在无槽磁域计算的 分析方法。最基本的构建块是电流片在两片无限渗透的铁表面产生的 矢量。通过对磁体周围的电流和集成磁体的厚度进行建模，可以发现 矢量的电势和磁场与永磁体有关。相比之下，定还有三维有限元的研 究结果相比较，发现误差在5%之内。此外，电动势，磁链和电感的测 量已经在两个发电机上进行并且比较了有限元素和分析结果。分析模 型预测的电动势的误差在5%之内。端绕组的环形电感，气隙和

2、电枢绕 组大大增加了总电感量使的解析模型预测的总电感量与测量结果的总 电感量相差不到10%o符号列表A矢量势Z电枢绕组每圈的导体数B磁通密度，T 电枢线圈之间的位移,m rem B永磁体的漏磁，T 0自由空间磁导率C运行间隙，m入波长m D平均内径，m p 级距E电动势，V m 磁铁宽度H磁场强度，A/m e。，m。线圈的蔓延,电气或机械弧度I电流， A磁通量WbJ电流密度,Am2 磁链K线性电流密度，A/mdn K n倍的谐波分布的因素mag I k,有效长度比率(见(26)m L磁体径向长度、mN谐波数c N每电枢线圈匝数P极对数iR定子铁芯的内半径，mO R定子铁芯的外半径,mRm平均铁

3、芯半径,mc t铁芯厚度，mn u 2p n线圈宽度的平均半径,may电枢厚度、mYm磁体厚度，mIY电流片的位置2Y转子与定子铁芯表面的距离eff Y 2有效空隙1引言广泛的可适用性和减少成本的高剩磁，致铁硼永久磁铁使轴向电 机替代了低收入和中等功率电动机和发电机的应用程序。在许多情况 下，特定转矩的轴向磁通电机比其径向磁通的更好【1,2,而其几何 尺寸可能会更与一般比例机械相容，无论是驱动或者是被电机驱动。 很短的轴向长度需要去容纳磁场和电子元件可能使设计不需要单独的 轴承和高的转动惯量的转子就可以成为一个有用的飞轮功能。一个轴 向电机特别使用的例子是直接驱动风力发电机【3-5】，在紧凑的

4、发动 机-发电机装置里，无论是一般应用或在一个混合电力车辆7,或 在轮电动机8-11。在一般的轴向磁通机器的至少包括一个转子盘承载轴向极化磁铁 和一个定子转子盘携带无槽或无槽绕组。定子可以是磁性也可以是非 磁性的，这取决于机器的拓扑结构。基于这些概念的大量轴向磁通的 拓扑结构是可能的，包括单级11,双级7 , 12或多级设计。我们将集中于带铁芯的各种定子 无槽绕组和环形线圈来建立定子气隙绕组。由于这种类型的绕组结构 通常被称为一个圆环机120这样一台机器的基本的横截面示于图1 ,它包含两个转子盘, 每个转子盘周围的磁极排布为N-S-N-S o 一张盘上的磁体的北极对着 另一张盘上磁体的北极，这

5、样使磁通轴向跨越气隙，然后转向周向延 成的带状卷绕铁芯返回转子前，一个磁极一个磁极的进行。每个电枢 线圈缠绕环状带绕铁芯，对于一个三相机有三个电枢绕组每极之间最 大差价60电角度。本机的拓扑结构被用于紧凑的，可变速的集成生产 装置中（VSIG ）并已经被Newage-AEG-SVK 6,刀商业化。当机器运转时，空气被吸入机器的轴向中心同时自然抽水能力使 冷却空气径向横跨电枢绕组。这种泵送作用由磁铁进一步增强并作为 风机叶片来确保电枢绕组有良好的冷却。这种直接空气冷却的绕组允 许高达20 Amm2电流密度直接通过。机器内部的磁通由永磁体和电流通过定子线圈产生。要确定一台 机器的设计，并评估其性能

6、，焊剂成分是必须的，无论是由磁通引起 的电动势或者是由电枢绕组的电抗引起的它均可以很方便的表达出。 电动势和电感设计的表达式基于磁性等效电路，它很容易评估并能用 于设计可达到预期目的的机器7。然而这样的设计表达式没有考虑到泄露和边缘领域，同时在很多设计中 7, 12磁铁的径向延伸超越了定子来增加转子磁链和电动势。解析表 达式中本身与这些影响有关的因素被提了出来。设计表达式可预测磁 通密度，感应电动势和电枢电感和他们的精度，这些都是在有限元和 实验工作支持的基础上完成的。Marignetti Scarano10在一个轴向磁通的机器里采用分析技术 来预测磁铁的磁通密度，但需要有限元素作为解决方案的

7、一部分。查 尔默斯等人13用一个两维的拉普拉斯表达式来推出电枢电抗表达式。 我们使用了类似查尔默斯等人的方法口引。但现在有统一的2维（2-D ） 的方法来计算磁通和电枢反应通量。实验测得的电动势和电枢电感值 将被用于于分析方法和有限元研究的方法得到的结果相比较。在2-D 中有限元计算解决方案同时使用了 MEGA14和FEMLAB15厢3-D MEGA02:分析模型2.1 模型如图1所示，观察其机器上的径向向内图，并忽略曲率，把机器 等效于图2来表示，其中的X坐标表示圆周方向，y坐标轴向方向。图3示出的2-D数学模型，用来分析其中一个气隙中的磁场。电流片被 用来建立磁体和电枢电流的模型，这样从位

8、于定子和转子的铁之间的 一个广义的电流片中计算矢量势是在分析中使用的基本构造块。类似 的技术已被用在16 , 17o在分析中的定子和转子被视为无穷可渗透 边界，电流片具有谐波分布形式：KIJ(X) =Kn sin unx这里波长为两倍的磁极间距，Kn的值依赖于实际的电流分布并在 第2.3节中的磁体和第2.4节中的电枢绕组中有所阐述。2.2 电流片的矢量势和磁通密度矢量势和磁场在上下方均有，拉普拉斯的方程的解受制于铁表面 的边缘条件，在电流片中：y = 0 Hx = Qy = Y AHxn = Hx2n Hxn = Kn. Hy ntinuousy = Yi HX = O磁矢量势只有一个Z分量，

9、所以磁场可从下式得到：“ Ajrr 1 AHX = and Hy =-yo 拉普拉斯方程的解给出了矢量势和磁场的正常的组成部分，在区域1和区域2中：区域1 :zn (x)=-Kn风 sh Un(Y1 - r)sinh un YiCOSh uny(3)(4)(6) sin unxU f P CoSh UfI(Y2 - ) u(X)=Kn-sh unysinh unY1 COS UnX区域2 :Knsh unY力a(x)=一工如(打一切 sin unx“w()=匕然上学cosh /(握一 y)Siriil 月 2 S UnX2.3 磁体的磁场电枢(区域2 )中磁铁的磁场可由式5和6中计算出，通过用

10、多层 而且每层用一个等效的电流片来表示来表现出磁体的磁化。在Y点的 矢量势是通过整合的磁铁的厚度得出的，图4 :由于永久磁铁的相对反 冲磁导率大于1 ,这必须在分析中考虑。在制定两个地方相对渗透出现 的影响问题时，首先用电流的大小对磁体建模，其次，结果作为这一 领域中的相对渗透率。这里所采取的方法是在考虑磁铁反冲通透性的影响，同时在解决方案中假设对电流建模。这对 式5和6直接适用。在磁体域中与相互渗透率计算有关的一个修正因 子是提出了用磁电路方案的比较。这种方法的准确度和影响将在第4 节讨论。为了计算等效磁铁线性电流密度分布人Kn ,每个磁铁可表示 为在其边缘处一个微小的厚度角扩展度为2q的地

11、方流入的电流。如图 4:磁体的等效电流的大小：6en 和一个相应的电流密度：j = -(7)“BC 2PtP其中是极间距。独立的电流密度谐波现在可以通过以下方式获得 傅立叶分析得到磁体的等效电流密度分布。即：J(X) = sin n-(8)“oddP这里：Jn = -J sin S = 士殳LSinr (包)(9)p0ra. 2 pJ现在磁体被化成若干电流片，每片在dy轴上都有线性电流密度： K (X)= Jndy sin unx(10)在区域2中矢量势在任一点的y值是将10式带入5式并对磁体厚 度Ym积分的得到。/ / X J smh L zv 4a(x) =-F-，8由 u( - y)u-

12、 sinh unY2(H) sin unx同时：d p0 sinh u 1, /V Sg(X) =-Ksh 7)(12) S UnX2.4 电枢磁场和电流分布电枢的磁场可以使用与上述类似的技术来计算，或者它可以简单 地表示为一个式(3 ) ? ( 6 )可以直接适用的电流片。后一种方法是用 在这里，每个气隙的电枢电流可以用图5所示的电流分布表示，其中Z 轴每相的导体各自携带电流i A.o单层绕组展示的只是去构建一个气隙 绕组同时更复杂的双层绕组可以很容易地组装无槽定子。气隙绕组只 在这里被考虑。对于此单层绕组的线性电流密度是： ZiZiZi八、K = = p(13)W OmAlnRmbC其中W

13、是绕组宽度，平均半径可以写成这里是绕组延伸的机械角度，电角度线性电流密度为：K(X) = X sin unx(14)得到峰值的线性电流密度傅立叶分析如下：G 4K . 兀.nc 2 Zpkdn . n.Kn = sin sin = -SIn i (15)n 22 Rx 2对于环向伤口机每个电枢线圈的匝数为：O3原型发电机细节许多原型轴向磁通发电机已构建并用作设计方程式的基准。二， 三阶段，机器的细节列于表1 ,分别有额定功率40千瓦，4500转和 20千瓦，3000转，负载测试结果为20千瓦的机器见式(18) 40 kW的机器早期工作被新时代AVK-SEG用于VSIG的商业开发。40 kW的机

14、示于图6中，被其自己的两个端板之间的轴承支撑。图6a示出了发电机连接柴油机时的测试，而在图6b中示出了其定子 和转子盘。20千瓦的发电机直接被固定到发动机的的末端来代替飞轮 （参照图1）,因此为无轴承设计。40和20千瓦的设计之间的主要区 别之一是磁铁的宽度磁极极距比。40千瓦的设计值是0.66 ,而在20 千瓦时的设计为0.8o磁铁宽度极间距的增加会增加输出电压和输出功 率19,而且还改变感应电压的谐波含量。图7示出了组装的20千瓦 的发电机的测试。4结果与讨论4.1 磁场和感应电动势4.1.1 分析和有限元分析法：由永久磁铁产生的磁场沿周向围绕变化并径向横跨超过一个极距 的感生电动势与进入

15、定子铁心的磁通的电枢。40千瓦发电机圆周的轴 向磁场的变化，由定子铁心的平均半径加Imm计算出，在图8a中示 出。此图显示了式（12 ）所预测的值，由3-D和2-D有限元计算得出。 假设磁体电流模型和曲线A给出的磁通密度方程中，如果反渗透只出 现在模拟电流中，便可得到曲线B0最后一个修正是把式（11 ）和（12 ）中分母中的Y2换成一个有效间隙值，这里：+ 刈+c）（16）随着修正例中的磁通密度图可获得曲线C,这与2-D和3-D有限 元分析结果是相同的。在式（11 ）和（12 ）分母中使用有效间隙 Y2eff的理由是与磁性等效电路的方法获得的磁通密度方程相比较（参 见附录）刀。在附录中示出：所述磁体的反冲磁导率出现在磁通密度 方程分子中是由于磁铁建模电流，出现在分母中是由于磁铁区域的磁 阻。式（Il）和（12 ）中对电流建模的影响可以认为是在式（9 ）中