軸向磁通的低成本盤式永磁發電機

    鄧隱北，史謙東，王華

(河南森源電氣股份有限公司，河南鄭州一450016)

    摘要：文章提出了一種新型盤式電機結構，解決了軸向磁通永磁發電機的一些難題。該新結構中，采用的非鐵磁材料支架，能克服作用于磁鋼上的離心力，故可以提高轉速以增大發電機的輸出功率。新型設計的成本低，制造容易。由于這一新型結構的研制，推出了一種高速、低成本的軸向磁通永磁發電機。

    關鍵詞：軸向磁通；無鐵心；非鐵磁材料支架；永磁發電機；磁鋼

O 引言  

    定子無鐵心的軸向磁通永磁(AFPM)電機，被認為是分散式發電的高效電機。在這種電機中，無鐵心的定子避免了轉子與定子之間磁鋼和鐵的直接吸引。因為無鐵心損耗，這一設計型式的發電機比常規電機的運轉效率自然就更高。此外，結構緊湊及盤式的外形，使得此類電機特別適合于與風輪機械組合，有利于在風力發電中的推廣應用。

    利用軸向磁通結構的發電機幾乎在150年以前就已開發，然而其應用卻由于某些原因被局限于分馬力級功率。一個主要問題是作用在磁鋼上的離心力迫使磁鋼移位，故AFPM發電機的轉速受到限制，導致此類發電機的低速應用，例如與風輪機直聯。過去，對AFPM發電機的額定轉速曾分別定于200r/min和1950r/min，為增大功率輸出依靠增加極數，相應增加到28極和40極。對極數較少的AFPM電機另一種實現所需高輸出的方法是提高轉速。較高的轉速導致定子繞組中較高的感應電壓。無鐵心AFPM發電機通常具有小的電感值，因而電流的增加不會改變電機的性能，而較少磁鋼數的優點是降低了發電機的成本。

    本文為求得AFPM電機的參數和性能，提出了一些必要的公式，然后設計了軸向磁通無鐵心的三相永磁發電機。該發電機有兩個外圓盤轉子和位于轉子之間的一個無鐵心定子，磁鋼采用稀土永磁釹鐵硼(NdFeB)產生發電機所需的勵磁。這些磁鋼粘附在轉子圓盤的兩個內表面上。初步設計后，為了精密的研究，利用有限元(FEM)軟件，分析電機的兩維(2-D)模式。按照FEM的分析結果，一方面能計算電機的參數，另一方面可研究電機的原型(樣機)試驗程序。為了克服作用在電機磁鋼上的離心力，設計并制造了一種非鐵磁材料的支架，最后通過實驗獲得了電機的性能。期望借助非鐵磁性支架，能以低的成本制成高速的AFPM發電機。高速驅動發電機時，能得到較高的輸出功率。在給定的頻率下，較高的轉速歸因于較少的磁極對數，磁極數的減少，當然就降低了造價。

1無鐵心定子的軸向磁通永磁結構

    圖l為AFPM電機的三維圖形，配有兩個外轉子圓盤和轉子之間的一個無鐵心定子。如圖所示，矩形的NdFeB高能磁鋼粘附在兩個轉子圓盤的內表面。圖l所示的軸徑未按比例，僅說明AFPM電機的內徑相對較大。

圖2所示的轉子磁極(N、S極性)交叉配置。圓盤的內半徑和外半徑分別表示為R_i和R_o。

圖l電機的定子繞組無鐵心，定子繞組表面與電機軸垂直。繞組的繞制有不同的方法。本研究中采用了三相的單層梯形繞組。以這一繞組形式，僅線卷的一邊置于特定空間(或置于帶鐵心定子的槽中)。極對數12的電機一相線卷的典型布置如圖3所示。另兩相按第一相相隔±120。電角度進行布置。

2 等值電路

無鐵心AFPM電機的每相等值電路如圖4所示。在這一電路中，R_s、L_s、e_m、V_a和i_a分別

表示定子電阻、定子電感、氣隙中永磁基波磁通匝鏈數產生的感應電勢、基波的瞬時相電壓和相電流。定子渦流損耗的等值電阻以R_e表示。

同步電感L_s由電樞反應電感L_a和總的漏電感L₁組成，L₁表示如下：

式中：L_1r、L_1d和L_1e分別表示徑向漏電感、導體周圓徑向的差漏電感以及端繞組的漏電感。與常規有槽的電機不同，無鐵心或無槽的電機中漏電感和互感無明確定義，故以精確的公式表示L_1r、L_1d和L_1e和重要。

利用二維