軟磁復合材料在軸向磁場永磁風力發(fā)電機中的應(yīng)用
鄧秋玲，黃守道，許志偉，彭磊
(1湖南工程學院，湖南湘潭411101；2湖南大學，湖南長沙410082)
摘要：討論了sMc在直驅(qū)風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)巾的軸向磁場永磁(AFPM)同步風力發(fā)電機設(shè)計中的應(yīng)用。首先介紹了軸向磁場永磁電機的結(jié)構(gòu)特點；然后介紹了sMc材料的特性．討論了sMc材料在永磁風力發(fā)電機設(shè)計中的應(yīng)用；最后使用有限元法將基于sMc的AFPM風力發(fā)電機與采用硅鋼片定子鐵心的AFPM風力發(fā)電機進行了比較，證明了所提方案是可行的。
關(guān)鍵詞：軸向磁場；永磁電機；風力發(fā)電機；軟磁組合件
0引 言
用于低速直驅(qū)風能系統(tǒng)的徑向磁場永磁同步發(fā)電機的外形是一個扁平的大圓盤，這種電機的定子內(nèi)徑大、轉(zhuǎn)子尺寸和轉(zhuǎn)動慣量也大。這對平抑風力起伏引起電動勢的波動是有利的，但也對電機控制提出了更高的要求。另外，直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機通常比傳統(tǒng)發(fā)電機質(zhì)量要大、經(jīng)濟性要差。為了在商業(yè)上更具競爭力，必須對低速大直徑的發(fā)電機在成本、功率密度和效率等方面進行優(yōu)化。
眾所周知，如果電機的極數(shù)足夠多，軸向長度與外徑的比率足夠小時，軸向磁場電機比傳統(tǒng)徑向磁場電機在轉(zhuǎn)矩和功率密度方面有較大的優(yōu)勢。軸向磁場永磁電機還具有轉(zhuǎn)動慣量小、定子繞組散熱條件良好的優(yōu)點，還可以做成多定子、多轉(zhuǎn)子的多氣隙結(jié)構(gòu)，以提高輸出功率。因此軸向永磁同步發(fā)電機適合應(yīng)用于直驅(qū)風能轉(zhuǎn)換的場合。
軸向磁通電機的主要缺陷與定子鐵心的制造有關(guān)。定子鐵心是通過將硅鋼片帶料卷繞后再進行槽加工或?qū)_好槽的硅鋼片帶料卷繞而成。在槽加工過程中，會遇到疊片之間的短路問題，當繞制沖好槽的疊片帶時，存在預先打孔的槽難以對齊的問題。用壓制的軟磁復合(以下簡稱sMc)材料做成的鐵心為上述難題提供一個解決的辦法。
近來，sMc材料低頻特性的改善使得它在電機設(shè)計應(yīng)用中獲得了廣泛的興趣。sMc材料和粉末冶金擠壓加工的獨特優(yōu)點是：它使復雜結(jié)構(gòu)容易成形，克服傳統(tǒng)的有槽疊片定子鐵心制造中的一些缺陷。在硅鋼片疊片鐵心的電機中，在平面磁路中可獲得良好的磁性能，它產(chǎn)生的是一個二維磁路，這限制了設(shè)計的可能性。在sMc材料中絕緣的鐵粒可以產(chǎn)生等方性的磁性能。因此，在磁極組件設(shè)計中可以獲得三維磁路，為電機設(shè)計者提供了新的設(shè)計方法。
1軸向磁場電機的結(jié)構(gòu)特點
1．1軸向磁場電機存在的缺點
軸向磁場電機的磁場是軸向的，定、轉(zhuǎn)子在電機中對等放置，定、轉(zhuǎn)子均為圓盤形，因此也稱為盤式電機。定子鐵心一般由雙面絕緣的冷軋硅鋼片帶料沖制卷繞而成，在硅鋼帶上，每隔一定距離沖出一個形狀尺寸完全相同的槽，在保證對應(yīng)槽一一對齊的條件下經(jīng)卷繞便可形成端面帶有下線槽的定子鐵心。定子繞組有效導體在空間上呈徑向分布。轉(zhuǎn)子為高磁能積的永磁體，固定在圓盤形鐵心上，軸向電機定子的鐵心加工是電機制造的關(guān)鍵。
在實際生產(chǎn)中，由于沖裁工藝的種種不足以及定子鐵心本身結(jié)構(gòu)的獨特性，硅鋼片的厚度極薄，為0．5～1．0 mm，因而在圓周自動成形上或多或少都存在著如下問題：對齊槽孔兩邊的硅鋼片呈“喇叭口”張開狀；鐵心在卷繞成形中，在卷繞機剛度不足的情況下，往往出現(xiàn)壓緊不實的現(xiàn)象；還存在預先打孔的槽難以對齊的問題。
1．2基于軟磁復合材料(sMc)的電樞鐵心
由于磁路幾何結(jié)構(gòu)，軸向磁場電機采用疊片技術(shù)制造鐵心比較困難，兩種方法可以解決疊片鐵心的困擾：一是采用實心體進行加工或采用印制的鐵心；二是采用無鐵心或近似無鐵心的磁路結(jié)構(gòu)。這兩種方法的可行性都是建立在新材料的獲取上：用軟磁粉末復合材料通過加工處理進行三維定型或直接通過壓制過程來制造定子鐵心；采用高性能的水磁體和具有良好熱性能和機械性能的塑性材料來減小或取消鐵磁材料的使用。目前由于成本的原因，塑性材料很少作為電機的結(jié)構(gòu)件來使用。只有在要求重量輕、效率高的塑性軸向磁場電機中得到了應(yīng)用。
為了克服疊片鐵心制造的困難，定子鐵心采用SMC實心圓柱體加工而成，如圖1所示。在實心的圓柱體上開了許多槽用來安好電樞繞組。將繞組制造成一個集中繞組，這可以使相繞組的端部連接縮短，繞組電阻減小，因而可以降低銅耗。
2 SMC材料的特性
在軸向磁場電機中所用SMC：材料由表面蓋有絕緣薄膜的軟磁鐵粉粒壓制而成。將具有良好磁性能的高純度鐵粉與樹脂粘合濟混合在 |
