轉子結構對軸向磁場磁通切換永磁電機性能的影響

張 磊，李立博，林明耀

(1．國網電力科學研究院，江蘇南京210003;2．中國石油錦西石化分公司，遼寧葫蘆島125001;3．東南大學，江蘇南京210096)

0引 言

軸向磁場永磁電機相比較其他結構的永磁電機，歷史最為悠久，然而由于其制作工藝復雜而一度受到冷落［1］。隨著永磁材料的發展和工藝水平的提高，軸向磁場永磁電機以其獨特的優勢，越來越受到人們的關注［2-4］。

軸向磁場磁通切換永磁電機(以下簡稱AFFSPM)是一種新型的軸向磁場雙凸極永磁電機，相比較其他結構的軸向磁場永磁電機，具有軸向尺寸短、功率密度高，永磁材料利用率高等優勢［5-6］，因而具有巨大的發展潛力。

本文首先介紹AFFSPM電機的結構，然后采用解析與仿真相結合對轉子齒寬進行優化;最后，在此基礎上，對轉子齒形和厚度對電機感應電勢和定位力矩的影響進行討論。

1 AFFSPM電機結構

三相12/10極AFFSPM電機結構如圖1所示。其轉子置于兩個定子中間，定子鐵心與沿切向充磁的永磁體交替放置;轉子采用卷繞式工藝疊壓而成，其上既無永磁體，也無電樞繞組。該電機的磁場呈對稱分布，即由永磁體產生的磁勢沿定子鐵心、氣隙、轉子齒、氣隙、定子鐵心呈對稱降落。

2轉子齒寬優化

2．1 解析分析

所分析的AFFSPM電機為三相12/10極結構，故其d軸和q軸之間的機械角度:

式中:βm和βe分別表示機械角度和電氣角度;pr為轉子齒數。

當轉子齒與定子齒右邊對齊，如圖2a中的虛線所示，電機氣隙磁通將達到最大，此時永磁體的利用率最高，設此時的轉子齒寬為Bro，則有:

式中:βpm為永磁體初始設計寬度;βr為轉子齒初始設計寬度;kr為轉子齒寬系數，定義如下:

將 βr=7．5°、βpm=7．5°和 βm=9°代入式(2)，可得 βro=10．5°，kr=1．4。

2．2有限元仿真

圖3為AFFSPM電機有限元仿真模型。在程序中，改變kr，保持其他結構參數不變，不同轉子齒寬時的永磁磁通、感應電勢和定位力矩的計算結果如圖4所示。

圖3 AFFSPM電機有限元分析模型

從圖4中可以看出，當kr＞1．4時，永磁磁通和感應電勢的幅值均幾乎不變，且當kr=1．4時，定位力矩的峰-峰值也最小。因此，仿真結果驗證了解析分析所得的結論。

3轉子齒形與厚度對電機性能的影響

3．1 轉子齒形

AFFSPM電機的轉子齒為扇形齒，如圖5所示。

圖5 轉子齒形

改變θ角以改變轉子齒形。發現當θ為2．5°時，感應電勢的諧波畸變率最小，達到1．21%，且感應電勢幅值隨θ的增大而增大;當θ為7°時，感應電勢的諧波畸變率為5．22%，但此時的定位力矩峰-峰值最小。感應電勢在θ為2．5°時的波形及其諧波分析如圖6所示，圖7 是 θ為0°、5°、6°和 7°時的定位力矩比較。

3．2 轉子厚度

轉子齒鐵心是磁的良導體，其磁導率遠大于空氣，故永磁體產生的磁勢基本降落在電機氣隙中，降落在轉子齒上的磁勢可以忽略不計。因此轉子厚度的改變，對電機氣隙磁場的影響較小。通過仿真可知，隨著轉子厚度的增加，感應電勢基本不變，定位力矩峰-峰值也基本不變，但波形變化明顯。轉子厚度為16．5 mm、17．5 mm 和 18．5 mm 時的定位力矩比較如圖8所示。

圖8 定位力矩隨轉子厚度的變化情況

4結 語

本文以三相12/10極AFFSPM電機為例，在闡明其結構特點的基礎上，采用全場域三維有限元法分析了轉子結構參數，包括齒寬、齒形和厚度對電機性能的影響，結果表明，轉子齒寬與轉子齒形對電機性能的影響明顯，而轉子厚度對電機性能的影響較小。

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