軸徑向磁通永磁同步電機的研究
郭農生，沈琳
(國營北京曙光電機廠，北京100028)
摘要：又章提出了一種新型結構的具有折疊繞組的軸徑向磁通水磁同步電機，介紹了其結構原理，確定了設計方案，并對有限元計算結果進行r比較分析。計算結果表明該結構電機在較大外徑和功率需求下，可以更大的提高電機功率密度。
關鍵詞：軸徑向磁通永磁同步電機：折箍繞組；功率密度
O引言
目前，常用永磁電機的結構按磁通穿過氣隙時的走向分為徑向磁通圓柱式永磁電機和軸向磁通盤式永磁電機[1]。但是在某些情況F電機的結構還不夠緊湊，不能更有效提高功率密度。例如，對于徑向磁通圓柱式永磁電機，當電機長徑比較小時，繞組端部長度占電機軸向長度的比例較大，并且槽底到軸間的很大一部分空間沒被利用；而對于軸向磁通盤式永磁電機，在鐵心內徑和外徑都有很大一部分空間浪費在端部繞組上。盡管人們采取r各種措施縮短端部K度，如集中繞組、鏈式繞組、短距繞組、提高嵌線工藝等，但效果并不十分理想。
針對這種現象，本文提出一種新型結構的軸徑向磁通永磁同步電機，該電機采用折疊式繞組，將兩個軸向磁通盤式永磁電機與圓柱式永磁電機結合在一起，這種結構電機具有端部短和嵌線方便等優點，并充分利用了空間，提高了功率密度。有限元計算結果驗證了該結構及其設計方案的可行性。
1結構原理
具有折疊繞組的軸徑向磁通永磁同步電機可以看成是將圓柱式永磁同步電機的軸向兩端各取一段，分別沿圓周向軸心折疊而成的，其結構示意圖如圖1所示。定子由一套三相對稱的折疊 繞組、三組硅鋼片、套筒和擋板組成，如圖2所示。徑向分電機鐵心是由硅鋼片在套筒上沿軸向疊加而成，其外圓表面開有多個軸向槽；兩側的軸向分電機鐵心是由硅鋼
片卷繞而成，鐵心的一個側面分別用螺釘固定在兩個圓環形擋板上，另外兩側端面上分別開有多個徑向槽，萁開口中心線圍繞著軸呈放射線狀均勻排列。該電機軸向槽與定子鐵心兩側端面的徑向槽一一對應，每個對應槽內共唰設置有折疊繞組的一個元件邊。套筒及其兩側的兩個擋板由六個螺栓連接到一起，固定在不動軸上。轉子由轉子鐵心、軸向永磁體和徑向永磁體組成。轉子鐵心內圓壁面上均布有多個徑向充磁的永磁體，轉予鐵心兩內側端面t的永磁體軸向充磁，圍繞著軸呈放射線狀均勻排列。為了使軸向和徑向部分協調運行，需要保證每組軸向槽和徑向槽中心線對齊，并且每組軸徑向永磁體中心線也一致。
由于此軸徑向電機是由徑向電機演變而來，所以還是通過一個獨立的驅動單元輸出功率。定子繞組以星形接法連接后，通過軸的出線孔與外部三相正弦交流電源相連接。當定子繞組通以三相交流電時，在電機的徑向氣隙和兩端的軸向氣隙中分別產生一個轉速相同的旋轉磁場，三者共同拖動轉子同向同速旋轉，轉子的鐵心外殼作為旋轉動力輸出端。
3設計方案的確定
為簡化電機分析，將軸徑向電機可以分解為在結構上和磁路上完全獨立的三個電機，這三個電機具有相同的電流、相同的轉速和繞組分布，而兩個盤式電機完全相同，只需要分析一個即可。設計流程圖如圖3所示。
由于不知道軸向分電機和徑向分電機如何進行功率分配，所以先設計一臺滿足功率要求的徑向磁通外轉子電機(折疊繞組較適合外轉予結構)。得到徑向電機尺寸后，再根據套筒所需最小厚度，確定出軸向電機的基本尺寸。根據徑向磁通永磁同步電機電磁功率計算公式(1)可知，電樞直徑和電磁負荷不變時，電磁功率與電機軸向長度成正比[2]，從而可確定出徑向分電機的鐵心長度。
根據上述流程設計了一臺軸徑向磁通永磁同步屯機，主要參數如表1所示。
4有限元分析
軸徑向電機三維模型和有限元計算結果如圖4所示。由圖可以看出，由于三維有限元軟件對軸徑向電機整體仿真時，耗費時間較長并且網格剖分不能十分精細，從而計算結果不是
很準確。考慮到軸向電機較軸徑向電機結構簡單、體積小，故徑向電機采用二維有限元軟件進行單獨分析，而軸向電機使用三維有限元軟件進行分析，這樣而計算結果相對比較精確。有限元模型和計算結果如圖5和圖6所示。
將分電機單獨設計與軸徑向電機整體設計時的計算結果進行比較，比較結果如表2所示。
由表2可以看出，軸徑向電機分開設計與整體設計相比，空載反電勢和平均轉矩誤差很小，
達到了很好的一致性，而齒槽轉矩和電磁轉矩峰峰值誤差卻很大，這是由于軸徑向電機結構復雜，并且采用網格剖分比較粗糙的三維場進行計算，從而給計算結果帶來較大誤差。因此，在以后的優化設計過程中可以采用單獨設計的方法，即能節約計算時間，又可得到更加精確的仿真結果。
5電機性能分析
5 .1普通電機性能對比
本文采用軸徑向電機設計之前的那個符合技術要求的徑向電機作為比較對象，兩臺電機功率和外徑相同。表3給出了軸徑向電機與普通徑向外轉子電機主要尺寸參數對比。經過計算可知，軸徑向電機功率密度是普通徑向外轉子電機的1.38倍。因此可以說，軸徑向電機充分體現了功率密度大的優勢。
5.2技術指標的分析與改進
表3中所列出的樣機設計參數僅僅是滿足技術要求，實際上其輸出功率還沒有得到****的開發。首先，在上述參數中，套筒與軸連接部分厚度為38mm，而這部分并不需要這么厚；其次，根據盤式永磁電機電磁關系可知，當電機的外徑固定時，保持****電負荷不變，當其內外徑比值為i√3時功率****，而現在內外徑之比為1：1.4，顯然未到****比值。
為了更加充分利用徑向電機內的空間，可以減少徑向分電機功率，即增大軸向分電機的功率。由式(2)可以初步確定轉軸直徑d的大小[2]。
式中：TN——額定轉矩，這里為31.83N.m；ιt—轉軸材料允許應力(N/mm2)。
對于45#軸鋼，ιt=70.63N／mm2，從而可以得出轉軸直徑約為38．33mm。為了滿足定子線圈端部伸出長度及絕緣距離的要求，定子內徑與轉軸間要留有足夠距離，因此電機內徑不小于90mm。按照軸向電機被充分利用來計算，內徑為90mm時，外徑為156mm，因此，只要外徑大于156mm，軸向分電機即能夠得到****功率密度。這里取軸向分電機內外徑尺寸分別為90mm和156mm。
由軸向磁通永磁同步電機電磁功率計算公式(3)可知，在電磁負荷不變時電磁功率只與其內外徑尺寸有關[3]，這樣將內外徑尺寸90 mm、126 mm和90 mm、156 mm分別代入，即能算出外徑為156 mm時軸向電機的功率7．888 kW。
式中：DiA、DoA——分別為盤式電機的電樞內徑和外徑；Amax——最小半徑處的線負荷(Am)。
此時，徑向電機功率為2．112kW。用前面所述方法可得到徑向電機內外徑分別為172mm和246mm。此時，雖然軸向電機得到了****利用，但是徑向分電機軸向長度僅為27.5mm，擋板的空間不夠。由于軸向電機功率與內外徑成正比，所以如果按原設計指標要求，軸向電機就無法被充分利用。
如果指標要求更高的功率，那么軸向分電機和徑向分電機就都能夠得到更加充分的利用。當軸向電機外徑為156mm時，徑向部分的軸向長度為40，比原長度增加了12．5mm，計算可知，此時功率比原來增加了10x12．555=2．27kW。因此，當電機的總功率需求大于12.27kw時，軸徑向電機功率密度較高的優勢就能夠得到最充分的發揮。
此時，如果設計成普通的外轉子電機，軸向總長度需要為125mm，而軸徑向電機軸向總長為84mm。經過計算可知，軸徑向電機的功率密度較外轉子徑向電機提高了48．8％。
因此，本文研究的軸徑磁通永磁同步電機在較大外徑和較高功率需求的場合，更能發揮其高功率密度的優勢。
6結語
(1)根據目前圓柱式和盤式永磁電機的特點，提出了具有新型折疊繞絹結構的軸徑向磁通永磁同步電機，它能進一步提高電機的功率密度。
(2)采用有限元方法單獨設計分電機，即節省了計算時間和硬件資源，又能得到更加精確的仿真結果。
(3)對于軸徑向磁通永磁同步電機，在較大的外徑和較高的功率需求的場合更能發揮功率密度大的優勢。
參考文獻
[1]李鐘明，劉衛國稀土永磁電機國防工業出版社，1999.
[2]豐禮，唐孝鎬異步電動機設計手冊機械工業出版社，2002.
[3]唐任遠現代永磁電機理論與設計．機械工業出版社，2005． |
