| 軟磁復合材料在軸向磁場永磁風力發電機中的應用
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在直驅風能轉換系統巾的軸向磁場永磁(AFPM)同步風力發電機設計中的應用。首先介紹了軸向磁場永磁電機的結構特點；然后介紹了sMc材料的特性．討論了sMc材料在永磁風力發電機設計中的應用；最后使用有限元法將基于sMc的AFPM風力發電機與采用硅鋼片定子鐵心的AFPM風力發電機進行了比較，證明了所提方案是可行的。
關鍵詞：軸向磁場；永磁電機；風力發電機；軟磁組合件
0引 言
用于低速直驅風能系統的徑向磁場永磁同步發電機的外形是一個扁平的大圓盤，這種電機的定子內徑大、轉子尺寸和轉動慣量也大。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，直驅式永磁同步發電機通常比傳統發電機質量要大、經濟性要差。為了在商業上更具競爭力，必須對低速大直徑的發電機在成本、功率密度和效率等方面進行優化。
眾所周知，如果電機的極數足夠多，軸向長度與外徑的比率足夠小時，軸向磁場電機比傳統徑向磁場電機在轉矩和功率密度方面有較大的優勢。軸向磁場永磁電機還具有轉動慣量小、定子繞組散熱條件良好的優點，還可以做成多定子、多轉子的多氣隙結構，以提高輸出功率。因此軸向永磁同步發電機適合應用于直驅風能轉換的場合。
軸向磁通電機的主要缺陷與定子鐵心的制造有關。定子鐵心是通過將硅鋼片帶料卷繞后再進行槽加工或將沖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計應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點是：它使復雜結構容易成形，克服傳統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，它產生的是一個二維磁路，這限制了設計的可能性。在sMc材料中絕緣的鐵粒可以產生等方性的磁性能。因此，在磁極組件設計中可以獲得三維磁路，為電機設計者提供了新的設計方法。
1軸向磁場電機的結構特點
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、轉子在電機中對等放置，定、轉子均為圓盤形，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，在保證對應槽一一對齊的條件下經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鍵。
在實際生產中，由于沖裁工藝的種種不足以及定子鐵心本身結構的獨特性，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，往往出現壓緊不實的現象；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
由于磁路幾何結構，軸向磁場電機采用疊片技術制造鐵心比較困難，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構。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構件來使用。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一起，經過處理后產生一種具有高密度和高強度且壓縮性極好的物質。首先將鐵粉和潤滑劑混合物進行擠壓，在擠壓過程中，在粉末間產生了應力，這可以通過在足夠高的溫度下，對組合件進行熱處理來釋放。鐵粉粒在電氣上彼此絕緣，確保SM(：材料有一個高的電阻率。SMC材料的電阻率、機械性能和磁性能取決于鐵粉粒的大小、密度、絕緣層厚度、擠壓過程和熱處理周期。因此可以調節sMc材料的特性以適合某些應用的特殊要求。
一般說來，SMC材料的飽和磁密和相對磁導率低于硅鋼片，如圖2所示。造成磁導率低的原因是在SMC組件中的磁通必須不斷地通過鐵粉粒之間的非磁性絕緣。將sMc材料用于電機中，因其電阻率高，它產生的渦流損耗低于硅鋼片材料的電機。然而，采用SMC：材料的電機，其磁滯損耗要高些。SMC材料和硅鋼片所產生的總的鐵耗比較，如圖3所示。SMC損耗高的另一個原因是由于sMc鐵心加工表面上鐵粉粒之間的絕緣被損壞，因而使其表面的渦流損耗過大。因此SMc定子鐵心應該進行很好的壓制。
3 SMC材料在直驅式永磁同步風力發電機中的應用
雖然SMC材料與硅鋼片相比，相對磁導率低，鐵心的磁滯損耗大。然而由于直驅永磁風力發電機本身的特點，SMc材料的相對磁導率低可以得到改善。
(1)在直驅式風能轉換系統中，發電機的運行轉速較低，因此SM(：材料的高鐵心損耗可以得到彌補。在各種額定功率和額定風速下，發電機的運行頻率通常在30～80 Hz。在這運行頻率下的鐵心損耗并不是直驅式永磁風力發電機總損耗的主要來源，這些損耗只占總損耗的一小部分。特別是與定子銅耗相比，就更少了。因此sMc材料的高鐵心損耗在永磁風力發電機的設計中是允許的。
(2)在永磁風力發電機設計中，由于永磁體安裝在轉子表面，有效氣隙較大，磁路的磁阻本身較大，因此設計時對sMc材料的低磁導率不敏感，因而彌補SMC材料的相對磁導率較低。
(3)在電機設計中，所需最小定子軛厚度與極數成反比，因此在直驅永磁風力發電機中，所需的軛厚通常較短，磁路也要短些。尤其是在軸向磁場電機中，磁通軸向通過位于中央的沒有軛的定子或轉子，通過外轉子或外定子軛部返回以完全消除中間定子或轉子的磁軛，這可以使磁路也有助于彌補SMC：材料的相對磁導率較低的不足。
本文基于SMC設計了一個有兩個外轉子、一個內定子的軸向磁場(以下簡稱AFPM)永磁風力發電機。額定數據為：1 .75 kw，210 V，28極。使用有限元法將基于SMC的軸向永磁風力發電機與采用硅鋼片定子鐵心的AFPM風力發電機進行了比較，如圖4所示。可以看出：盡管SMC的相對磁導率較低，然而兩種不同鐵心的氣隙磁密相差并不是很大。
4結語
運行速度低、極數多并且永磁體安裝在轉子表面的特點都有利于將SMC材料應用于永磁風力發電機的設計中。再者，在雙轉子單定子結構中，磁通從一個轉子通過氣隙進入定子后再通過氣隙進入另一個轉子，可以取消中間定子的磁軛，使磁路進一步縮短，以彌補SM(：磁導率低的不足。盡管SMC材料的磁導率低，鐵心損耗大，但使用SMC代替硅鋼片鐵心的其它許多優點完全可以彌補這個不足。
SMC鐵心部件的壓制是關鍵，SMc組件的加工會使性能下降，因此還需要進一步研究。 |
