新型軸向磁場磁通切換型永磁電機磁場三維有限元分析
李鑫，林明耀
（東南大學電氣工程學院，南京210096）
摘要：介紹了一種新型軸向磁場磁通切換型永磁電機，該電機由兩個外定子和一個內(nèi)轉(zhuǎn)子組成，定轉(zhuǎn)子為雙凸極結(jié)構(gòu)。電樞繞組和永磁體均設置在定子上，轉(zhuǎn)子由硅鋼片徑向疊壓的齒嵌在非導磁環(huán)上構(gòu)成，切向磁化的永磁體建立電機的軸向磁場。該文以一臺10/12極樣機為例，運用三維有限元法(fem)分析了電機的空載磁場，給出了電機內(nèi)的磁場分布。分析結(jié)果為該種電機的設計奠定了基礎。
關鍵詞：軸向磁場；磁通切換；永磁電機；三維有限元；電磁場
中圈分類號：tm351 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848( 2010) 07-0029-03
o引 言
世界上第一臺電機是軸向磁場盤式永磁電機，限于當時的材料和工藝水平，盤式永磁電機未能得到進一步的發(fā)展。隨著永磁材料性能的不斷提高和完善以及電力電子器件的發(fā)展，盤式永磁電機重新得到重視和發(fā)展。盤式永磁電機以其優(yōu)良的性能和較短的軸向尺寸，已廣泛應用于機器人、計算機外設、電動汽車、航天工程和風力發(fā)電等。傳統(tǒng)的盤式永磁電機都是將永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上，為克服運轉(zhuǎn)時的離心力，通常需要特殊的加固裝置，該裝置還會引起永磁體散熱困難，而溫升可能導致永磁體產(chǎn)生不可逆退磁、降低電機出力和減小功率密度等。
本文介紹丁一種永磁體置于定子的新型軸向磁場磁通切換型永磁( affspm)電機。affspm電機繼承了磁通切換型( fspm)電機的結(jié)構(gòu)特點，即定轉(zhuǎn)子為雙凸極結(jié)構(gòu)，定子采用集中繞組，永磁體嵌在定共軛部，轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，結(jié)構(gòu)簡單。中間轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使得該電機擁有良好的散熱條件。
affspm電機綜合了afpm電機和fspm電機的優(yōu)點，軸向尺寸短，且功率密度和效率高，因而，affspm電機具有良好的應用前景。affspm電機的磁場呈三維分布，本文在介紹電機結(jié)構(gòu)的基礎上，以一臺10/12極樣機為例，運用三維有限元法( fem)分析該電機的磁場，給出電機內(nèi)的磁場分布，為該種電機的設計和進一步研究奠定基礎。
1 affspm電機的結(jié)構(gòu)
圖1為一臺三相12/10極affspm電機的展開圖，該電機由兩個定子和一個轉(zhuǎn)子組成。每一個定子由12個“u”型鐵芯、12塊永磁體和12個線圈構(gòu)成，“u”型鐵芯和永磁體交替放置構(gòu)成圓盤，兩側(cè)定子相對稱的永磁體勵磁方向相反；每個定子上的12個線圈分成三相，每4個線圈串聯(lián)構(gòu)成一相，每個線圈繞在兩個相鄰不同的“u”型鐵芯的齒上，中間嵌入永磁體，永磁體沿著切充磁。轉(zhuǎn)子共有10個齒，稱為10個極，均勻設置在轉(zhuǎn)子非導磁圓環(huán)的外圓周上。
永磁體和電樞繞組均放置在定子上，轉(zhuǎn)子上既無永磁體又無繞組，結(jié)構(gòu)簡單。定子繞組采用集中繞組，縮短了端部連接，減小了銅耗。中間轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，使得該電機擁有良好的散熱條件。
2 affspm電機磁場計算與分析
在有限元分析前，作如下假設：電機磁場是穩(wěn)態(tài)場，永磁體是被均勻磁化的，視繞組的磁特性與空氣相同，磁力線沿電機外表面閉合。在affspm電機內(nèi)部，磁位矢量滿足下列方程
式中，j為電流密度矢量，v為磁導率，s為電機的全部表面。
affspm電機磁場呈現(xiàn)典型的三維分布，本文采用有限元軟件ansys對affspm電機進行磁場分析。由于定子采用集中繞組，不能像傳統(tǒng)電機一樣只建立一個極的有限元棋型，必須建立幾個極或整個電機的有限元模型。為簡化邊界條件，建立aff-spm電機的完整模型，如圖2所示，邊界條件均為一類齊次邊界。定轉(zhuǎn)子采用六面體單元進行剖分，氣隙用四面體單元剖分，網(wǎng)格的大小由程序控制，總共約2 x 105個單元。
圖4是圖3中永磁磁場氣隙磁密在氣隙上半圓周的分布波形，計算氣隙磁密路徑如圖3中由a、b兩點確定的弧線，a、b兩點分別對應著圖4中的橫坐標0度和180度。由圖4可見，波形中第一個正向****值出現(xiàn)在氣 |
