盘式永磁无刷直流发电机_吴畏

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1、第2 2卷 第1 0期1994年10月华中理工大学学报J.Hu azhongUniv.ofS ci.无刷;轴 向磁场;永磁电机;盘式结构分类号TM31 3对于移动式低 电压电源设备,过去通常采用机械换向式 直流发电机,而现代军事、航天工业的发展对这类电源的可靠性和系统的功率/重量比提出了越来越高的要求,因此,这类电源现多采用带整流器的交流电机来代替.轴 向磁场永磁电机具有轴向尺寸短的优点,特别适合于发动机驱动的发电机系统.十几年来,永磁材料性能的不断改善,特别是高磁能积的稀土永磁材料 钦铁硼(N d一Fe一B)的出现,为新型轴向磁场永磁电机的研究开辟了新的途径.在轴向磁场永磁电机中,由永磁体所

2、建立的磁场平行于电机的转轴,而有效导体则与转轴垂直.根据这一原理,可以构造出许许多多不 同结构型式的轴向磁场永磁电机,环绕无槽盘式电机就是其中的一种.该电机采用双转子和单定子结构,如 图1所示.电机的定子由带料硅钢片卷绕的环形铁芯和均匀分布的环形无槽绕组构成,并放置于两个转子之 间;两个转子钢盘上镶嵌轴向磁化的磁钢.对于这种集新结构、新材料于一体的高性能永磁无刷电机,在稀土永磁材料价格较高的情况下,电机的正确 设计及分析是十分重要的,尤其在提高磁性材料定子机壳定子铁芯定子绕组进风孔斑钢转子钢盘排风孔尾尾尾尾尾尾尾纂纂闯闯 一 l l l州州州州州州州膝膝膝膝膝膝膝膝膝膝夔夔 l l l l l

3、 l l l l ! ! !l l l l l l l l l 一一.1 1 1 1 1 1 1 1 1 一一l l l l l l l l l 叠叠叠妥妥妥. . .二. . .一一一一一一一l l ll l l ! ! !l l l l ll l l一一l l l l l l l 一一l l l l l l l, , , , , , l l l阵阵阵阵1 1 11叫叫图1电机结构示意图收稿日期:19 94一01一24.吴畏,男,19 63年生,讲师;武汉,华中理工大学电力工程系(4 3。74 ).二国家教委归国留学人员基金资助项目.第1 0期吴畏等:盘式永磁无刷直流发电机的利用率和预测运行

4、性能等方面更是如此.,气隙磁场分析,.1简化模型因为 电机是双气隙的,且沿定子铁芯的中心面对称,所以分析电机的磁场只需考虑整台电机的一半.为简化分析,作如下假定:永磁磁钢均匀磁化,且退磁曲线为线性的;由于电机为无槽结构,气隙较大,因此忽略电枢反应,即不考虑绕组导体的存在;定子铁心和转子钢盘中的磁路不饱和.根据磁通连续性原理和安培环路定律及永磁材料的线性特性,导出最大气隙磁密B。一Br/( k,k,+ 片l。/l二),式中,Br和片分别为永磁材料的剩磁磁密和磁 导率;几和l m分别为总 的气隙长度和磁钢的磁化长度;k内肠分别定义为漏磁系数和边缘效应系数.对于无槽 电机,漏磁系数和边缘效应系数均接

5、近 于1.如果假定k邢肠均为1,则B。=B r/( l+ 片几/l。).这就是盘式永磁无槽电机磁场 的简化模型,它表明:在永磁材料选定后,气隙磁密 主要 由相对气 隙长度,即气隙长度与磁钢厚度之比来决定.实际 上,漏磁现象及边缘效应在轴向永磁电机中总是存在的,但是由于磁场分布的复杂性,漏磁系数和边缘效应 系数难以用简单的方法进行计算,但可由三维磁场分析得出.气丫-狱1.2三维磁场分布对于6极电机,采用三维有限元软件包TOSCA,对具有不同磁钢长度、极弧系数和气隙长度的气隙区域进行计算,得出漏磁系数和边 缘效应 系数的乘积K,K二随极弧系数尹和相对气隙长度l:/l m变化的关系曲线(图2 ).根

6、据有限元计算结果,发现气隙区域主要几何尺寸对气隙磁场的分布有如下影响:a.若磁钢镶于转子钢盘表面且为扇形,则对于 不同的相对气 隙长度和不 同的极弧系数,气隙磁密在不同的径向位置均近似为梯形波分 布,l l l l l 一一一一十一一一丫丫乙乙一一一卜一一甲二二一一卜一一二二 】 - - 一一一- 一奋一 -一.3 3 3 一一- 曰- - 一一一一一一一 -, , 一一甲下4 4 4; ; ;民禹人i i i _ _ _日 ”5 5 5l l ll l l 0.60图20.6 50.7 00.7 50.801一1./l二=1.0;4一l。/ l口0.2;K,K;与月和l。/ l二的关系2一1

7、./ l二0.8;3一1./ lm一0.6;5一1./ I二0.1b.气隙磁密的最大值主要 由相对气隙长度决定.当相对气隙长度增大时,漏磁增强,因而最大气隙磁密成比例减小, c.对于6极结构,由于极弧长度比气隙长度大得多,所以极弧系数对气隙磁密的分布波形影响很大,而对气隙磁密的最大值影响很小;d.当极弧 系数较小时,漏磁 系数几乎与相对气隙长度无关.极弧系数的最小值不应小于。.6,当极弧系数较大时,由于极间距离变小,因而随着相对气隙长度的增大,漏磁系数也变大,故极弧系数一般取0.6 5一0.8 0.2设计准则 l ,幻2.1无结构对电机设计的影响大量的研究结果表明,采用无槽绕组设计会带来许多的

8、好处,如减小定子铁耗,消除因磁通脉振而引起的损耗和噪音;消除齿槽效应转矩;减小漏电感;简化铁芯结构和绕组绝缘结构华中理工大学学报1 994年等等.然而,这也会对电机的设计产生很大的影响,主要表现为:a.在普通电机设计 中,气 隙磁密受允许的最大磁密限制,而无槽电机的气隙磁密由铁芯厚度和电机效率所决定;b.因为无槽电机的气隙较大,所以电枢反应较小,因而对永磁材料的去磁作用较小,但为 产生合理的气隙磁密,必须选用高性能的磁钢;。.由于绕组线圈全部暴露于时变磁场中,因此绕组的涡流损耗将是 电机总损中不可忽略的一部分;d.由于环 形无槽绕组具有良好的散热性能,所以绕组的电流 密度可设计得很高,甚至高达

9、1 5A/m m,而不致引起过高的温升.2.2电机的内外直径比轴 向磁场盘式永磁电机的内外直径比是设计 电机 的最重要参数之 一,因为 它会影响定子绕组的有效长度、电阻、感应 电势和输出功率等.如假设 电机的外径和内径分别为D。和Di,平均气隙磁密为Bg.,内径处的平均 电负荷为J,则可推导出环绕无槽 电机的 电磁功率尸d二凡,J:2矿f( k,一l )D刀(4尸),kD。/D卜当电机的外径一定时,产生最大功率的条件为k了了.但是电机的输出功率和转速通常是给定的,这时选一 内外径的 最佳比例是为了得 到 最大效率,或者是最大功率/重量比等.分析表明,不同的优化目标,k的取值不 同,一般在1.5

10、2.2之间.2.3绕组厚度由前面的电磁功率的表达式可以看出,电磁功率与平均气隙磁密和电负荷成正比,而电负荷为电流密度J与绕组厚度t,的乘积,故尸dC CB。(J tw).当绕组铜耗一定时,有尹t,常数.从气隙磁场的简化模型可知,平均气隙磁密仅由磁钢长度和气隙长度决定,所以,尸do c l二( l。+灿,+,c)而,式中。为定、转子之间的间隙,即,g t w+t。.如果 磁钢长度与气隙长度之和一定,即l m +t,+t。一t:,且假定片为1,则有尸dc c(lm/,r)戒不二二夏.此时以产生最大功率输出为优化目标,可导出绕组厚度与磁钢厚度的关系为:l二=Zt,.2.4绕组匝数定子绕组采用多相均匀

11、分布的环形绕组,每相由空间上对称的两个线圈串联而成,绕组的匝数N二及线径d;由铁芯内径处的周向长度所决定,应满足N。Nt。d;二Di,式中N。为总线圈数.此时,可导出绕组的自感及互感分别为LA A二N乙 两以D艺一D子)/8 (l:+l二/片 );材A xL从( l一4q/m),式中,m为电机的相数;q为A相绕组与x相绕组之间相差的线圈数.3样机及实验结果基于前述理论,设计并试制了三台2.5kw;2 8V;300 0r /mi n的样机,其中一台6极9相样机的主要数据为阁:定子铁芯外径1 52mm;磁钢长度6m m;定子铁芯内径9 1m m;绕组厚度4mm;定子铁芯轴向长度3 0mm;气隙长度

12、5m m;转子钢盘外径1 65mm;气隙磁密0.5 5T;转子钢盘轴向长度9m m;绕组每相自感13 0拜H;电机总长度6 8m m;绕组每相电阻5 4拌几采用有限元计算及实测的电机的气隙磁密分布如图3所示.图4为相感应电势波形,实测波形的负半波有一凹陷是因一块磁钢在装配时碰掉一角所致.采用有限元法和简化模型 法计算的最大气隙磁密及实测的结果分别为0.55 4T,0.5 63T和0 .53 6T .第1 0期吴畏等:盘式永磁 无刷直流发电机厂厂入入 ; ; ;二丫丫丫0 0 0,山心l势叭飞叫卜 、.勺厂厂几几图3气隙磁密分布图4相感应电势波形虚线为计算值,实线为实测值虚线为计算值;实线为实测

13、值由此可见,对于无槽盘式电机,采用简化模型法分析 电机 的气隙磁场不会引起很大的误差.电机加上整流器即构成无刷直流发 电机系统.为全面测试电机的性能,将样机直接安装于一台2极、4kw异 步电动机的轴伸端.当采用 二极管整流并带电阻负载 时,输出直流电压由空载时的 3 7.6v变为满载(电流为 9 0A)时的3 2v.可见由于新颖的环绕无槽绕组设计使得电机的阻抗较小,所以电机作为无刷直流发电机运行时具有较小的电压调整率.但是永磁材料的使用仍限制了激磁控制,如应用于 要求恒压或恒流输出的场合,则必须采用电子调压.对样机采用可控硅构成无刷直流发电机系统后,电机的整流电压可以随负载的变化而在O2 8V

14、之间任意调节或维持恒定.当负载电流为 9 3.3A时,系统的效率为7 5.5%,如果不包括整 流器的损耗,电机的效率可达8 1.2%.此时电机的温升仅为7 0K .参考文献以NapoliA,Cario ehiF,Cr e s eimbini F,etal.D esignCriteriaofaLow一SpeedAxial一Flu xI ,Mb yn-ehron o u sMa ehine.Int.Conf.o nEvolutio na ndModernAspe etsof SynehronousMa ehin es.Zu rieh(Switzerland)1 99 1.Pa rtA:1 119一

15、1123Spoo ne rE,Chalmer sBJ,EL一MissiryM M,etal.T hede signofanAxial一Flux,S lotless,Toroidal一Sta-tor,Pe rmanent一MagnetMa ehinefo rSta rte r/Gene ratorApplieatio ns.Proe.of U PEC90.Aberde en,UK,1 990.17 117 4Spo o nerE,C hal mer sBJ.TORUS:AToroidal一Stator,Perman e nt一Magn etMa ehinefo rSmall一S calePowe

16、rGen eration.Pro c.ofICEM90,MIT,Cambridge(U SA),1 990.105310 58T heDesignoftheD isk一TyPePerman e nt一Magn etBr ush le s sDC Ge n eratorSW“WeiE.S Po onerA bstraCtAn ov eltypeofaxial一field disk一typepe rmanentmagnetbr u shle s sDCgene r ator swithu-niqu ear rangementands alientfe atur e s15pre sented.Basedonasimplifiedmodel forthemag-netiefieldintheairgapregio nofthe