錐形轉子永磁電機軸向磁拉力和轉矩參數分析
劉偉亮，柴鳳，程樹康
（哈爾濱工業大學哈爾濱150001）
摘要：介紹r-種采用永磁式轉子的錐形電機，給出了這類電機的模型，分析了其結構特點以及不同轉子位置下的軸向磁拉力和轉矩的變化情況，并建立電機的三維有限元模型進行了仿真計算，得出轉子的軸向磁拉力和轉矩與轉子的軸向位移之間的關系，最后轉矩參數的變化規律通過實驗得到了驗證。
關鍵詞：錐形轉子永磁電機；三維有限元；軸向磁拉力；轉矩
中圖分類號：tm351 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848（2010）06-0007-02
0引 言
錐形轉子電機中多采用鼠籠式轉子，由于定子內圓及氣隙呈錐形，氣隙磁場對轉子作用直接導致軸向磁拉力的存在，利用這種特點這種電機多用于起重等要求能夠快速制動的場合。采用永磁式轉子后，隨著轉子與定子之間的位移不同，氣隙長度隨之幣同。利用氣隙長度的變化，可以很容易的改變電機的氣隙磁場，從而達到調節勵磁的作用，因而有望應用于弱磁擴速場合；此外，考慮到氣隙長度變大時，電機定轉矩減小，因此這種類型電機也可用于要求微風啟動的風力發電場合。
本文對錐形轉子永磁電機的軸向磁拉力及其轉矩特性進行分析，研究其變化規律。
1錐形轉子永磁電機軸向磁拉力和轉矩的數學模型
如圖1所示為錐形轉子永磁電機結構示意圖。定子內圓呈錐形，轉子上布置有永磁體。轉子與定子對齊時，氣隙最小，如圖中所示位置1；轉子脫出定子的距離為m時，如圖中所示位置2，氣隙長度隨之增大，在定子電流不變的條件下，氣隙磁場會隨著m的增大而變小，因此軸向磁拉力與轉矩參數都會變化。
忽略非線性以及飽和因素的影響，近似認為永磁體審儲存的磁能在轉子位移前后不變，氣隙中的磁能為既=丟,,bhdy，其中以表示氣隙區域。
如圖l中所示，轉子與定子對齊時（位置1），氣隙長度為氏，并θ有
困此磁能可表示為下式，
其中，
根據虛功原理，轉子所受的軸向磁拉力和轉矩可由磁能計算如下，
可見，隨著轉子所處位置的不同，轉子所受的軸向磁拉力與轉子的軸向位移成線性關系，隨著軸向位移的變化，軸向磁拉力線性減小，而轉矩可能會出現極值，出現極值與否則取決于式(4)中的系數。
2錐形轉子永磁電機的有限元分析
轉子處于不同位置下的軸向磁拉力和轉矩可通過有限元方法計算得到。為了減少計算量，在電機端部空氣區域采用遠場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算區域如圖2所示，圖中只示出定轉子區域。
轉子處于一定的位置時，在不同的交直軸電流作用下，軸向磁拉力會隨著氣隙磁場的變化而變化。如圖3所示，直軸電流為增磁性質時(i>o)，直軸電流越大，氣隙磁場越強，因而軸向磁拉力越大；直軸電流為丟磁性質時的情況則相反。交軸電流增大時，由于交軸磁路飽和的影響，軸向磁拉力略為減小。
同時，由圖3可知，一定的電流作用下，軸向磁拉力隨著轉子軸向位移的增大而減小。
在定子繞組施加5a電流激勵下，1800電角度范圍內的轉矩變化情況如圖4所示。
由圖4中可知，在轉子轉角一定的條件下隨著轉子軸向位置的 |
