錐形轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)軸向磁拉力和轉(zhuǎn)矩參數(shù)分析
劉偉亮，柴鳳，程樹康
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱150001）
摘要：介紹r-種采用永磁式轉(zhuǎn)子的錐形電機(jī)，給出了這類電機(jī)的模型，分析了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及不同轉(zhuǎn)子位置下的軸向磁拉力和轉(zhuǎn)矩的變化情況，并建立電機(jī)的三維有限元模型進(jìn)行了仿真計(jì)算，得出轉(zhuǎn)子的軸向磁拉力和轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的軸向位移之間的關(guān)系，最后轉(zhuǎn)矩參數(shù)的變化規(guī)律通過實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：錐形轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)；三維有限元；軸向磁拉力；轉(zhuǎn)矩
中圖分類號(hào)：tm351 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848（2010）06-0007-02
0引 言
錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)中多采用鼠籠式轉(zhuǎn)子，由于定子內(nèi)圓及氣隙呈錐形，氣隙磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子作用直接導(dǎo)致軸向磁拉力的存在，利用這種特點(diǎn)這種電機(jī)多用于起重等要求能夠快速制動(dòng)的場(chǎng)合。采用永磁式轉(zhuǎn)子后，隨著轉(zhuǎn)子與定子之間的位移不同，氣隙長(zhǎng)度隨之幣同。利用氣隙長(zhǎng)度的變化，可以很容易的改變電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)勵(lì)磁的作用，因而有望應(yīng)用于弱磁擴(kuò)速場(chǎng)合；此外，考慮到氣隙長(zhǎng)度變大時(shí)，電機(jī)定轉(zhuǎn)矩減小，因此這種類型電機(jī)也可用于要求微風(fēng)啟動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)合。
本文對(duì)錐形轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的軸向磁拉力及其轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行分析，研究其變化規(guī)律。
1錐形轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)軸向磁拉力和轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)模型
如圖1所示為錐形轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。定子內(nèi)圓呈錐形，轉(zhuǎn)子上布置有永磁體。轉(zhuǎn)子與定子對(duì)齊時(shí)，氣隙最小，如圖中所示位置1；轉(zhuǎn)子脫出定子的距離為m時(shí)，如圖中所示位置2，氣隙長(zhǎng)度隨之增大，在定子電流不變的條件下，氣隙磁場(chǎng)會(huì)隨著m的增大而變小，因此軸向磁拉力與轉(zhuǎn)矩參數(shù)都會(huì)變化。
忽略非線性以及飽和因素的影響，近似認(rèn)為永磁體審儲(chǔ)存的磁能在轉(zhuǎn)子位移前后不變，氣隙中的磁能為既=丟,,bhdy，其中以表示氣隙區(qū)域。
如圖l中所示，轉(zhuǎn)子與定子對(duì)齊時(shí)（位置1），氣隙長(zhǎng)度為氏，并θ有
困此磁能可表示為下式，
其中，
根據(jù)虛功原理，轉(zhuǎn)子所受的軸向磁拉力和轉(zhuǎn)矩可由磁能計(jì)算如下，
可見，隨著轉(zhuǎn)子所處位置的不同，轉(zhuǎn)子所受的軸向磁拉力與轉(zhuǎn)子的軸向位移成線性關(guān)系，隨著軸向位移的變化，軸向磁拉力線性減小，而轉(zhuǎn)矩可能會(huì)出現(xiàn)極值，出現(xiàn)極值與否則取決于式(4)中的系數(shù)。
2錐形轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的有限元分析
轉(zhuǎn)子處于不同位置下的軸向磁拉力和轉(zhuǎn)矩可通過有限元方法計(jì)算得到。為了減少計(jì)算量，在電機(jī)端部空氣區(qū)域采用遠(yuǎn)場(chǎng)單元來模擬外邊界的自然邊界條件[2-5]。所建立的三維有限元計(jì)算區(qū)域如圖2所示，圖中只示出定轉(zhuǎn)子區(qū)域。
轉(zhuǎn)子處于一定的位置時(shí)，在不同的交直軸電流作用下，軸向磁拉力會(huì)隨著氣隙磁場(chǎng)的變化而變化。如圖3所示，直軸電流為增磁性質(zhì)時(shí)(i>o)，直軸電流越大，氣隙磁場(chǎng)越強(qiáng)，因而軸向磁拉力越大；直軸電流為丟磁性質(zhì)時(shí)的情況則相反。交軸電流增大時(shí)，由于交軸磁路飽和的影響，軸向磁拉力略為減小。
同時(shí)，由圖3可知，一定的電流作用下，軸向磁拉力隨著轉(zhuǎn)子軸向位移的增大而減小。
在定子繞組施加5a電流激勵(lì)下，1800電角度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩變化情況如圖4所示。
由圖4中可知，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角一定的條件下隨著轉(zhuǎn)子軸向位置的 |
