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