一種新型無(wú)鐵芯電樞盤式電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

解祖品

摘 要：盤式電機(jī)是一種氣隙為平面、磁場(chǎng)為軸向的電機(jī)，盤式電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊密的特點(diǎn)，其能夠降低無(wú)效功耗的產(chǎn)生以及易于制成無(wú)鐵芯電樞結(jié)構(gòu)，因此其在實(shí)踐中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無(wú)鐵芯；盤式；電機(jī)；設(shè)計(jì)；測(cè)試

引言

電機(jī)在運(yùn)行過程中，由于受到內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素的限制使得電機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生了能耗，這些能耗的產(chǎn)生會(huì)大大降低電機(jī)的運(yùn)行效率，而且還會(huì)導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行期間的溫度過熱，進(jìn)而影響電機(jī)的使用壽命，而設(shè)計(jì)一種無(wú)鐵芯電樞盤式電機(jī)則可以大大降低上述的缺陷，提高了電機(jī)的運(yùn)行效率。

1 設(shè)計(jì)無(wú)鐵芯電樞盤式電機(jī)的動(dòng)機(jī)

之所以選擇設(shè)計(jì)無(wú)鐵芯電樞盤式電機(jī)是相對(duì)于傳統(tǒng)電機(jī)運(yùn)行所存在的缺陷而言的，電機(jī)在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的熱能會(huì)影響到電機(jī)的運(yùn)行效率，傳統(tǒng)的電機(jī)散熱主要是依靠電機(jī)外殼與外界介質(zhì)之間的對(duì)流換熱實(shí)現(xiàn)的，而盤式電機(jī)主要是靠電機(jī)的兩端進(jìn)行散熱，這樣就會(huì)導(dǎo)致盤式電機(jī)的散熱條件比較差。同時(shí)盤式電機(jī)由于其內(nèi)部空間比較小，而且封閉性比價(jià)強(qiáng)，這樣就會(huì)導(dǎo)致盤式電機(jī)的運(yùn)行效率、輸出功率等大大受到影響，因此基于電機(jī)內(nèi)部損耗的需求，需要設(shè)計(jì)一種新的無(wú)鐵芯電樞繞組結(jié)構(gòu)的盤式電機(jī)，以此提高電機(jī)功率緊密的目的。

2 新型無(wú)鐵芯電樞盤式電機(jī)的設(shè)計(jì)

從當(dāng)前電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式分析入手，永磁盤式電機(jī)即可以設(shè)計(jì)成鐵芯結(jié)構(gòu)的也可以設(shè)計(jì)成無(wú)鐵芯結(jié)構(gòu)的，由于無(wú)鐵芯永磁盤式電機(jī)的工作氣隙比較大，如果設(shè)計(jì)成單邊結(jié)構(gòu)的則有存在很大的單邊磁拉力的現(xiàn)象，因此文章設(shè)計(jì)的電機(jī)結(jié)構(gòu)為無(wú)鐵芯的、雙邊永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。該電機(jī)是一種11kW的永磁無(wú)鐵芯盤式電機(jī)，其最高工作溫度為100攝氏度，其選擇釹鐵硼永磁材料，最高的工作溫度為180攝氏度。

2.1 電樞繞組損耗產(chǎn)生的機(jī)理與元件導(dǎo)線的選取

在電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，假設(shè)在零磁場(chǎng)中，電流電通過導(dǎo)體，電流就會(huì)在導(dǎo)體截面上均勻的分布，其產(chǎn)生的損耗為直流損耗，但是如果電流通過一定導(dǎo)體時(shí)電流就會(huì)產(chǎn)生領(lǐng)近效應(yīng)以及渦流，這樣就會(huì)導(dǎo)致銅損的增大，因此電樞繞組中的損耗主要是受到臨近效應(yīng)的銅損所引起的：一是銅損。銅損的產(chǎn)生主要是受到集膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng)的影響而產(chǎn)生的，因此在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)需要充分考慮這些因素；二是渦流損耗。渦流就是導(dǎo)體在非均勻磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體內(nèi)部形成的閉合電路路徑，一般而言尺寸比較大的導(dǎo)體在交變的磁場(chǎng)中都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這就是渦流，可以說電機(jī)內(nèi)的渦流損耗不僅會(huì)降低電機(jī)的工作效率，而且還會(huì)造成電機(jī)局部的溫度過高，因此對(duì)于無(wú)鐵芯電機(jī)，為減少渦流損耗，我們將其設(shè)計(jì)為由許多鐵磁材料薄片疊成的結(jié)構(gòu)。而文章設(shè)計(jì)的電機(jī)為無(wú)鐵芯永磁盤式電機(jī)，這樣就會(huì)減少鐵芯渦流的損耗，提高電機(jī)的工作效率。

2.2 利茲線電樞繞組設(shè)計(jì)

無(wú)鐵芯永磁盤式電機(jī)的損耗與元件導(dǎo)線參數(shù)有著密切的聯(lián)系，因此選擇一種新型的導(dǎo)線代替原來電機(jī)銅線導(dǎo)體時(shí)降低定子電樞繞組損耗的有效途徑。利茲線是德國(guó)產(chǎn)品，其采取的是多跟絕緣漆包細(xì)導(dǎo)線相互編制而成的絞合線，其能夠降低集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)所產(chǎn)生的渦流損耗，雖然其在我國(guó)功率型電機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用比較少，但是在某些行業(yè)卻具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。電機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)就是無(wú)鐵芯永磁盤式電機(jī)電樞的制造，因此對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)而言，電樞繞組的設(shè)計(jì)與計(jì)算尤為關(guān)鍵。根據(jù)文章電機(jī)設(shè)計(jì)的要求，文章設(shè)計(jì)的電機(jī)選擇利茲線繞制電樞繞組，繞組設(shè)計(jì)為3相Y接法的單層波繞組，無(wú)鐵芯布放，導(dǎo)通方式為3相2狀態(tài)120。導(dǎo)通，額定電流為22A。首先應(yīng)該選擇直徑為1.3mm的利茲線，由55根直徑為0.13mm熱風(fēng)自粘細(xì)絕緣漆包線編制而成。然后在進(jìn)行元件的成型設(shè)計(jì)，一般線圈匝數(shù)為40匝。在完成所有步驟之后，便可以進(jìn)行電樞繞組盤的制作，最后在利用環(huán)氧樹脂對(duì)繞組盤進(jìn)行密封固定，然后進(jìn)行加工到位。

2.3 11kW利茲線電樞無(wú)鐵芯盤式電機(jī)的總體設(shè)計(jì)

通過對(duì)上述設(shè)計(jì)步驟的分析與討論，11kW利茲線無(wú)忒心盤式電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)主要是：電機(jī)的設(shè)計(jì)額定功率為11kW、額定電壓為530V、額定電流為22A、額定效率為0.92η、極對(duì)數(shù)為8對(duì)、元件匝數(shù)為40w1、電樞內(nèi)外半徑分為為128、222mm。電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 無(wú)鐵芯電樞盤式電機(jī)的損耗計(jì)算

無(wú)論哪種電機(jī)在運(yùn)行中都會(huì)產(chǎn)生損耗，這些損耗有很大一部分會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，從而會(huì)導(dǎo)致電機(jī)局部溫度的過熱，最終會(huì)影響電機(jī)的使用壽命和工作效率，雖然文章設(shè)計(jì)的利茲線電樞繞組能夠有效的擬制渦流損耗，但是通過對(duì)電機(jī)損耗的計(jì)算對(duì)提高功率型無(wú)鐵芯永磁盤式電機(jī)的工作效率具有重要的參考意義。通過前面所述我們知道電機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的損耗既包括渦流損耗、銅損還包括轉(zhuǎn)子的鐵損、機(jī)械損耗以及附加損耗等等。由于電機(jī)特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此文章選擇分段式三維磁場(chǎng)有限元法，以此計(jì)算分析無(wú)鐵芯盤式電機(jī)的渦流損耗。在進(jìn)行無(wú)鐵芯電樞盤式渦流損耗時(shí)，首先需要進(jìn)行假設(shè)：一是假設(shè)利茲線每股之前保持平衡的分布；二是由于單根利茲線的直徑比較小，對(duì)單根利茲線內(nèi)的損耗計(jì)算我們要進(jìn)行相同的處理，以此計(jì)算利茲線的總體渦流損耗。

分段式三維磁場(chǎng)有限元法的計(jì)算：首先要建立三維無(wú)鐵芯電機(jī)的八分之一模型，然后應(yīng)用有限元法對(duì)靜磁場(chǎng)進(jìn)行分析，以此得出氣隙磁密的三維分布，然后在氣隙空間內(nèi)設(shè)置磁密采樣路徑；然后在對(duì)這些氣隙進(jìn)行分段，具體分為N段，每段設(shè)置為K層采樣路徑，通過K×N個(gè)氣隙磁密的采樣路徑可得出不同路徑上的氣隙磁密軸向和徑向分量；最后通過計(jì)算得出繞組渦流損耗值。之所以選擇三維有限元仿真分析主要是因?yàn)樵摲椒紤]了邊緣效應(yīng)，能夠保證氣隙磁密數(shù)值更加接近實(shí)際情況，通過對(duì)11kW無(wú)鐵芯電樞盤式電機(jī)的渦流損耗計(jì)算，利用三維有限元法計(jì)算得到的數(shù)值為23.1W，這樣與采取傳統(tǒng)扁平矩形導(dǎo)線繞制的定子繞制渦流損耗（扁平矩形導(dǎo)線繞制的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)的渦流損耗為2534W）要少得多，因此：使用利茲線繞制的無(wú)鐵芯AFPM電機(jī)的定子電樞繞組可有效減少該電機(jī)的繞組渦流損耗，大幅度提高電機(jī)效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于盤式電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊，軸向尺寸短，可通過軸向級(jí)聯(lián)來增加功率，易于制成無(wú)鐵芯電樞結(jié)構(gòu)以消除齒槽轉(zhuǎn)矩及定子鐵損，噪聲小和效率高等優(yōu)點(diǎn)，故而應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。但是限于以前的工藝水平與永磁材料，盤式電機(jī)技術(shù)并未能得到推廣發(fā)展，因此需要我們加大對(duì)無(wú)鐵芯電樞盤式電機(jī)技術(shù)的研究，促進(jìn)我國(guó)電機(jī)行業(yè)的不斷發(fā)展。

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