轴径向磁通永磁同步电机的研究

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1、轴径向磁通永磁同步电机的研究郭农生，沈琳国营北京曙光电机厂，北京100028)摘要：文章提出了一种新型结构的具有折叠绕组的轴径向磁通永磁同步电机，介绍了其结构原理，确定了设计方案，井对有限元计算结果进行了比较分析。计算结果表明该结构电机在较大外径和功率需求下，可以更大的提高电机功率密度。关键词：轴径向磁通永磁同步电机：折叠绕组；功率密度0引言目前，常用永磁电机的结构按磁通穿过气隙时的走向分为径向磁通圆柱式永磁电机和轴向磁通盘式永磁电机“1。但是在某些情况下电机的结构还不够紧凑。不能更有效提高功率密度。例如，对于径向磁通圆柱式水磁电机，当电机长径比较小时，绕组

2、端部长度占电机轴向长度的比例较大，并且槽底到轴问的很大一部分空间没被利用；而对于轴向磁通盘式永磁电机，在铁心内径和外径都有很大一部分空间浪费在端部绕组上。尽管人们采取了各种措施缩短端部长度，如集中绕组、链式绕组、短距绕组、提高嵌线工艺等，但效果并不十分理想。针对这种现象，本文提出一种新型结构的轴径向磁通永磁同步电机，该电机采用折叠式绕组，将两个轴向磁通盘式永磁电机与圆柱式永磁电机结合在一起，这种结构电机具有端部短和嵌线方便等优点，并充分利用了空间，提高了功率密度。有限元计算结果验证了该结构及其设计方案的可行性。1结构原理具有折叠绕组的轴径向磁通永磁同步电机可

3、以看成是将圆柱式永磁同步电机的轴向两端各取一段，分别沿圆周向轴心折叠而成的，其结构示意图如图l所示。定子由一套三相对称的折叠绕组、三组硅钢片、套筒和挡板组成，如图2所示。径向分电机铁心是由硅钢片在套筒上沿轴向图1轴径向磁通永磁电机结构示意圉叠加而成，其外圆表面开有多个轴向槽；两侧的轴向分电机铁心是由硅钢片卷绕而成，铁心的一个侧面分别用螺钉固定在两个圆环形挡板上，另外两侧端面上分别开有多个径向槽，其开口中心线围绕着轴呈放射线状均匀排列。该电机轴向槽与定子铁一iS,两侧端面的径向槽一一对应，每个对应槽内共同设置有折叠绕组的一个元件边。套筒及其两侧的两个挡板由六个

4、螺栓连接到一起，固定在不动轴上。转子由转子铁心、轴向永磁体和径向永磁体组成。转子铁心内圆壁面上均布有多个径向充磁的永磁体，转子铁心两内侧端面上的永磁体轴向充磁，围绕着轴呈放射线状均匀排列。为了使轴向和径向部分协调运行，需要保证每组轴向槽和径向槽中心线对齐，并且每组轴径向永磁体中心线也一致。由于此轴径向电机是由径向电机演变而来，所以还是通过一个独立的驱动单元输出功率。定子绕组以星形接法连接后，通过轴的出线孔与外部三相正弦交流电源相连接。当定子绕组通以三相交流电时，在电机的径向气隙和两端的轴向气隙中分别产生一个转速相同的旋转磁场，三者共同拖动转子同向同速旋转，转

5、子的铁心外壳作为旋转动力输出端。3设计方案的确定为简化电机分析，将轴径向电机可以分解为在结构上和磁路上完全独立的三个电机，这三个电机具有相同的电流、相同的转速和绕组分布，而两个盘式电机完全相同，只需要分析一个即可。设计流程图如图3所示。图3轴径向电机设计流程图由于不知道轴向分电机和径向分电机如何进行功率分配，所以先设计一台满足功率要求的径向磁通外转子电机(折叠绕组较适合外转子结构)。得到径向电机尺寸后，再根据套筒所需最小．58．厚度，确定出轴向电机的基本尺寸。根据径向磁通永磁同步电机电磁功率计算公式(1)可知，电枢直径和电磁负荷不变时，电磁功率与电机轴向长度

6、成正比”1，从而可确定出径向分电机的铁心长度。‰：型丛譬掣业％zo(1)式中：Dm——径向电机电枢直径：0——径向电机有效长度；膏№——气隙磁场波形系数：％——绕组系数；cos矿——功率因数：如——气隙磁密(T)；月——电机转速(‘pm)；《——极弧系数；^。——外转子电机线负荷(Am)。根据上述流程设计了一台轴径向磁通水磁同步电机，主要参数如表1所示表l轴径向电机样机主要参数参数径向分电机轴向分电机极数定子槽数定于i4(一)气隙*＆(一)《子自径(一)定子外径(rttm)转于外径(n瑚)整机轴向宽度(ram)额定转速(r／rain)额定电压(v)额定功率f

7、kW)■口乱一。m轴径向电机三维模型彻轴径向电机空载反电势波形c)轴径向电机齿槽转矩(d)轴径向电机电磁转矩图4轴径向电机的仿真模型和结果}n．Ni}；}轴径向电机整体仿真时，耗费时fH]较长并H蛔格剖分不能十分精细，从而计算结果不是很准确。考虑到轴向电机较轴径向电机结构简单、体积小，故释向电机采用维有限元软件进行单独分析，mJ轴向电机使用二维有限兀软什进行分析，这样而计算结果相对比较精确。有限元模型和计算结粜如图5和图6所示。●(c)径向电机齿槽转钟既(a)轴向电机三维模型0l27io07；!。02t呈003＆昌0085000500500050tlme(m

8、s)(b)张向电机空载反电势波形琶叭榭醛o5t＼me