（电机与电器专业论文）盘式无铁心永磁同步电机磁场分析及磁钢结构优化.pdf

a b s t f a c t a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e so ft h ed i s kp e r m a n e n tm a g n e t ( p m ) s y n c h r o n o u s m o t o r ，b e i n gt h ep e r f e c t d r i v ed e v i c e ，i ti sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d ss u c ha s s p a c e f l i g h t ，n a t i o n a ld e f e n s e ，a g r i c u l t u r e ，i n d u s t r ya n ds oo n m a k i n gu s eo ft h eh i g h c o e r c i v ef o r c et h en d f e b ，ac o r e l e s sd i s kp ms y n c h r o n o u sm o t o r , w h i c hh a sl i t t l e m a s sa n dl i t t l et o r q u er i p p l ei sp r e s e n t e d b e c a u s eo fs t r u c t u r eo ft h ea x i a lf l u xa n dc o r e l e s s ，t h em a g n e t i cf i e l do ft h e c o r e l e s sd i s kp m s y n c h r o n o u sm o t o ri sa no p e nf i e l da n di t sd i s t r i b u t i o ni s3 dw h i c h i sd i f f e r e n tf r o mt h ec o n v e n t i o n a lm o t o r t h em e t h o do f2 da n a l y s i sc a n tb eu s e df o r i t i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hc o n c e n t r a t e so nt w oc o n t e n t s ： ( 1 ) 3 df e mi su s e dt oc o m p u t ea n da n a l y z et h em a g n e t i cf i e l do ft h ec o r e l e s sd i s k p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r , a n dt h er e s u l to fi t sm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n i ss u m m a r i z e d ( 2 ) b a s e do nt h em a g n e t i cf i e l da n a l y s i s ，h a b a c ha r r a yi su s e di np ms t r u c t u r e d e s i g na n dt h em e t h o do fp m ss t r u c t u r eo p t i m i z a t i o ni sd i s c u s s e d s e v e r a lt y p e so f p m sa r r a n g e m e n tf i tf o rt h ec o r e l e s sd i s kp ms y n c h r o n o u sm o t o ra r er e s e a r c h e ds o t h a tt h ei d e a lm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o nc o u l db ea c h i e v e d u s i n gt h em e t h o do fm a g n e t i cc i r c u i tc o m p u t a t i o n ，t h eg e n e r a l r u l eo ft h e m a g n e t i cf i e l do ft h ec o r e l e s sd i s kp ms y n c h r o n o u sm o t o rc a nb eg o tf i r s t l y t h e n ，3 d f e mm o d e lo ft h em o t o ri ss e ta n dt h er e s u l ti sa n a l y z e d w i t ht h ed e m a n do ft h el o w l e a kf l u x ，h i g hf l u xd e n s i t ya n dt h es i n u s o i d a lw a v e f o r mo ft h em a g n e t i cf i e l d d i s t r i b u t i o n ，c o n v e n t i o n a la x i a l f l u xp m ，v a r i a b l et h i c k n e s sa x i a lf l u xp ma n d 4 5 0 ，6 0 0 ，9 0 0h a l b a c ha r r a yp ma r er e s e a r c h e dm a da n a l y z e dt h e n ，f o rs i m p l i f y i n gt h e p r o d u c t i o no f t h ep m ，c o m b i n i n gt h et w oa r r a n g e m e n t so f v a r i a b l et h i c k n e s sp m w i t h h a l b a c ha r r a y ，a na m e l i o r a t i v eh a l b a c ha r r a yi sp r e s e n t e da n dt h ec o n c r e t ed i m e n s i o n o ft h ep m ，t h er e s u l to ft h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o nc o m p u t e dw i t ha n s y si s g i v e n k e y w o r d s ：d i s kp mm o t o r , c o r e l e s s ，h a l b a c ha r r a y , m a g n e t i cf i e l d ，o p t i m i z e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：【司、奎一 签字f 1 期：吖年【1 月玎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：ij 鸯、导师签名 签字日期：驯年，月万日签字日期：7 衅 月y r 佃 邑 昭 了多 第一章绪论 第一章绪论 随着数控机床、工业机器人、机械手、计算机及其外围设备等高科技产品的 兴起和特殊应用，如雷达、卫星天线等跟踪系统的需要，对伺服驱动电机提出了 更高的性能指标和薄型安装结构的要求。为此，世界上一些先进工业国家从七十 年代末、八十年代初期起，开始研制盘式永磁同步电动机。近几年来，盘式永磁 同步电动机在国外得到迅速发展，作为现代高性能伺服电机和大力矩直接驱动电 机己广泛应用于机器人等机电一体化产品中，并开始局部地、无可争议地取代传 统伺服电机产品。我国对盘式永磁同步电动机的研究，尚处于起步阶段，这些年 我国在制造工艺、磁性材料方面的新进展和盘式异步电动机的研制成功，可望促 进这类电机的发展进程。 1 1 盘式永磁同步电动机的研究概况 1 1 1盘式永磁同步电动机的优越性和发展概况 传统的普通圆柱式电机是径向磁通电机，其齿根部的“瓶颈”现象引起的电 机冷却困难、铁心利用率低等问题一直困扰着电机工程技术人员；此外，电机还 存在着效率不高、转动惯量大、响应速度慢等缺陷；而且当电机运行时，由于存 在齿槽效应，使得电磁转矩存在脉动，从而限制了其应用范围。 针对上述传统圆柱式电机的弊病，早在本世纪4 0 年代，盘式永磁同步电动 机就引起了人们的重视。尤其是近年以来，随着新型高性能稀土永磁材料的发展， 永磁体作为励磁源在电机中的应用领域不断扩大，而永磁同步电动机比起传统的 异步机和同步机来，有着节能、高效、结构简单、运行稳定可靠等诸多优点，这 都使盘式永磁同步电动机受到越来越多的重视。 不同于传统圆柱式电机的径向磁通结构，盘式永磁电机是轴向磁通电机，它 结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高。其最显著的优点是转 子的转动惯量小，机电时间常数小，峰值转矩和堵转转矩高，转矩重量比大， 低速运行平稳，具有优越的动态性能。因此，它的应用范围极其广泛，几乎遍及 航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。 7 0 年代末，盘式永磁同步电动机开始真正进入研究阶段。1 9 7 8 年，意大利 比萨大学ab r a m a n t i 教授首次描述了制造轴向气隙同步电动机的几种方法，探 讨了轴向磁场同步电机的特性，并制造了一台双定子夹单隐极转子实验样机。 第一章绪论 1 9 8 2 年，德国不伦克大学的h w e b 教授描述了几种不同结构形式的轴向磁场永 磁同步电机，并研制了一台双转子夹单定子结构的高转矩、高速盘式永磁同步电 动机。1 9 8 4 年，h w e h 教授又开展了对大功率低速盘式永磁同步电机的研究， 将强化纤维塑料应用于转子圆盘上，减小了电机的惯量，并成功研制了一台作为 柔性推动的2 2 0 k w 、38 k n m 低速高转矩盘式永磁同步电机。1 9 8 5 年，美国弗 吉尼亚理工大学的r k r i s h m a n 教授对伺服驱动用盘式永磁同步电机进行了全面 的讨论，通过各种径、轴向磁场电机的性能比较，得出了盘式永磁同步电动机具 有其他电机无可比拟的优越性的结论。 综合比较各种类型的电机，主要参数情况如表1 1 所示。 表卜1 各类电机比较 盘式永磁同步电动机在国外己得到了迅速发展，作为现代高性能伺服电机和 大力矩直接驱动电机已经广泛的应用于机电一体化产品中，并开始局部地、无可 争议地取代传统伺服电机产品，满足了机器人、数控机床等高精度系统对伺服电 机的高性能指标和薄形安装的要求。到目前为止，已经有瑞士的i n f r 6 n o r 公 司、德国的r o b e r tb o s c h 公司和罗马尼亚电力工程研究所生产盘式永磁同步电动 机。我国近年末也丌始了对这种电机的研制工作。 1 1 2 盘式永磁同步电机磁场分析的发展概况 电机的基本作用原理在于电磁感应，电机中的功率传递是通过有关电路中的 磁链变化来完成的，所以无论是进行电机设计还是电机性能预测，都必须了解、 精确计算电机内部的物理场，尤其是电机磁场的分布。盘式永磁同步电动机的结 构和传统电机有很大的区别，磁场问题比较复杂。其介质交界面曲直交错，永磁 材料的磁性能各异，这些特点都给电机磁场分析带来困难。以前对电机设计经常 采用的是将磁场简化为磁路进行计算的方法，但此方法应用到该种电机的设计 第一章绪论 中，结果比较粗糙，只能作为设计的参考依据。 从历史发展的过程来看，电磁场边值问题求解共有图解、模拟、解析、数值 计算等四种方法。目前数值计算法在电气工程中被广泛应用，已确立了其在电磁 分布题求解领域中的绝对优势地位。为了合理地确定永磁体结构尺寸和准确计 算电机的参数，传统的基于磁路模型的电机设计方法已经不能满足这一需要，采 用电磁场数值分析的方法显得更为重要。 从7 0 年代开始，s i l v e s t e r 、c h a d 等人把有限单元法( f e m ) 引入电磁场计 算，这使电磁场数值计算发生了根本性的改观。有限差分法( f d m ) 比有限元 法更早应用于电磁场数值计算，1 9 7 2 年，m u l l e r 等用有限筹分法计算了发电机 的三维场。尽管f d m 具有直观、网格形成简单、准备数据省时等优点，但因为 网格与边界和内部媒质分界面的吻合程度差，计算结果误差大，近十年来应用较 少。除传统的f e m 和f d m 外，还有积分方程法、边界元法等，随着计算机技 术与数值计算技术的不断发展， 些新的求解偏微分方程方法也已经发展起来， 如小波法、无单元法、无限元法等求解偏微分方程方法也逐渐地应用到了电磁场 数值计算中来。 就当口来说，有限元法日臻成熟，被认为是最有效、应用最普遍的一种数值 解法。有限元法求解可被应用于电机开发的前期研究直接指导设计过程，包括 列性能要求苛刻的设计方案的实现，众多设计方案的比较，设计方案具体内容的 优化等。在电机的设计阶段就能对其进行精确的计算及性能预测，可节省大量的 设计费用，在经济可比性上也进一步确立了其优势地位。有限元方法电磁计算的 逆问题，用于场域尺寸、导体安放、永磁体设计等优化设计等，近年来开始被研 究。对于稀土永磁同步电机来说，由于稀土材料的价格比较高，因此应用有限元 法对其进行优化设计与性能预测有着重要意义。 在电机电磁场数值计算基础上，国内外对盘式电机电磁场的研究逐渐开展起 来，三维有限元法已经被广泛应用到盘式永磁电机的磁场分析与计算中，这为研 制出性能更加优越的盘式永磁电机开辟了道路。 1 2 国内外研究现状 盘式永磁同步电动机的发展是轴向磁场电机发展的结果。国外已经出现了多 种结构形式的盘式永磁同步电机，也研制成了特别适合于大力矩直接驱动装置的 多定子和多转子交错排列组成多气隙的大转矩盘式永磁同步电动机。此外，存有 关珐电机的制造工艺、电磁场分析与计算、控制方法方面也有了一定的建树。 我围对盘式永磁同步电机的研究及应用与国际先进水平有着较大的差距，目 我围对盘式永磁同步电机的研究及应用与国际先进水平有着较大的差距，目 第一章绪论 前国内的研制单位虽然不少，但形成一定批量的单位却屈指可数，没有具有竞争 力的成形产品。以沈阳工业大学特种电机研究所为代表的一些研究单位正在加紧 对其开发研制。 盘式永磁同步电机的应用前景非常广阔，为了发展我国新一代高性能电机及 伺服系统，研究盘式永磁同步电机已经成为我国电机行业一项十分紧迫而艰巨的 任务。 在电磁场方面，由于盘式永磁同步电机的特殊结构决定了其磁场的三维分 布，加上永磁材料、导磁材料和定子开槽的影响，要准确分析这种电机的磁场是 比较困难的。 在浚电机电磁场的多年研究过程中，h w e b 教授首先将这种电机的磁场简 化为各向异性的线性三维平面场，提出了解析计算法。而后，美国的j d a n g e l o 利用三维有限元对盘式永磁直流电机进行了分析。罗马尼亚的r m a g u r e a n u 利用 三维边界元计算了盘式永磁无刷直流电机的磁场分布和参数，并在计算中做了如 下假定：定子铁心磁导率为无穷大，永磁体的相对磁导率为1 ，磁钢的边界用一 个产生相同磁场的电流片来代替。美国的r k r i s t m a n 也在轴向磁通永磁电机的 计算中应用了三维有限元法。 在我国，近十几年来，对盘式电机磁场的研究也逐渐开展起来。1 9 8 5 年， 蒋豪贤利用l a p l a c e 方程求出盘式轴向磁场电机气隙磁通密度，并给出计算公式， 表明该磁场为旋转磁场，沿圆盘呈正弦分布，沿轴向衰减、沿径向减小。1 9 9 1 年，顾其善、侯书红对三相盘式感应电机的磁场进行了研究，提出了二维分布的 磁路模型。1 9 9 2 年王琳、何全普等将分环法用于盘式感应电机磁场分布的计算， 将三维磁场计算问题化为有限个二维问题求解。通过有限元计算，揭示了该种电 机磁场沿径向的分布规律，结论和顾其善等人提出的一致。除此之外，国内外对 盘式永磁电机磁钢的结构、尺寸的计算、工作点的确定等也有所研究。随着计算 机技术的迅猛发展，对盘式永磁电机电磁场的研究已经过度到了以电磁场数值计 算为基础的研究方法。 1 3 本课题的研究意义 比起传统的径向磁通圆柱式电机，拥有轴向磁通的盘式永磁同步电动机有着 许多明显的优点。盘式电机永磁化是一种发展趋势，稀土材料是其首选的永磁材 料。我国已研制出盘式永磁同步电动机，但还处于试制阶段。 为了发展我国新一代高性能伺服电机及伺服系统，改变高| 生能伺服电机长期 依赖进口的局面，把盘式永磁同步电动机产品化，已成为我国电机行业一项十分 紧迫而艰巨的任务。而产品化的实现，还有许多研究课题亟待解决，主要集中在 4 第一章绪论 以下四方面：永磁电机三维电磁场的计算、新型永磁电机优化设计规律、新型永 磁电机的制造工艺与装备、电机专用烧结钕铁硼永磁材料和新型永磁磁路结构及 其充磁方法。 本课题是国家8 6 3 项目“新型稀土永磁电机设计与集成技术”中“无铁心稀 土材料永磁电机”的一部分，任务是在设计的盘式无铁一t x , 永磁同步电机结构基础 上，设计出不同结构的磁钢排列结构，并将h a l b a c h 永磁体阵列的理论运用到盘 式无铁心电机的磁钢优化设计中来，计算由其产生的三维电磁场，分析总结各种 磁钢结构的磁场结果，优化电机的磁钢结构，以达到经济、高效的目的。通过本 论文电磁场分析的结果，总结出盘式永磁同步电机磁场的一般规律，基于h a l b a c h 永磁体阵列的理论和磁场分析结果设计出适合盘式电机的磁钢结构，为盘式无铁 心永磁同步电机的迸一步研制奠定基础。 在这种新型电机的电磁场计算方面，还应加深磁场分析与计算的深度。磁场 计算应该以数值计算为主。盘式永磁电机的磁场实际分布比较复杂，需要进行三 维磁场计算，进而求出漏磁系数、气隙磁密分布情况等。目前，虽然三维磁场数 值分析计算结果精确，但在工程上三维磁场数值分析却难以推广，大都通过计算 两个二维电磁场并将其结果叠加得到近似的结果。 打破应用二维磁场计算的传统方法，提出新形的磁钢结构，通过对不同磁钢 拓扑结构所形成的电机电磁场的三维计算，确定该电机永磁体的结构和排列方 式，使电机气隙磁场达到最理想的状态，减少漏磁通，提高电机的力能密度并减 小电机的体积。这是本文对电机电磁场进行分析的中心目的。 由于盘式电机的轴向磁通结构与无铁心结构，决定了电机磁场呈三维、开域 分布：而对于永磁同步电机来说，要求气隙磁场的波形为正弦形、磁密幅值尽可 能高。现有的轴向磁通盘式电机大都为直流电机，靠n 、s 极交替的轴向充磁磁 钢产生气隙磁场，气隙磁场波形类似于马鞍形。这种传统的轴向磁钢结构不适于 永磁同步电机。运用h a l b a c h 永磁体阵列的理论，靠改变电机的磁钢排列结构， 产生适合于轴向磁通的盘式永磁同步电动机气隙磁场还是国内电机领域的一个 空白。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题从盘式无铁心永磁同步电机的结构出发，将h a l b a c h 永磁体阵列的理 论应用到盘式无铁心电机的磁钢优化设计中，研究、计算了盘式无铁，t l , 永磁同步 电机的电磁场并开发了新型的磁钢排列结构。在确定了电机基本结构之后，利用 有限元软件a n s y s 对电机的三维电磁场进行了仿真计算与分析，提出了新型的 第一章绪论 电机磁钢结构，为研制盘式永磁同步电机奠定基础。 作者在论文研究中所完成的主要工作如下： 1 在a n s y s 下建立了盘式无铁心永磁同步电机的三维磁场分析的仿真软件 包： 2 采用仿真研究的方法，对双转子单定子形式的盘式无铁心永磁同步电机的主 磁路进行了深入地分析： 3 在磁场计算与分析的基础上，针对磁钢结构提出改进方法； 4 对新型永磁体排列方式h a l b a c h 阵列做了广泛的研究，将其应用于本文 提出的盘式无铁心永磁同步电机的磁钢优化设计中，通过比较不同磁钢结构下产 生的电机电磁场，总结出各种方式的优缺点和适用性： 5 在电机三维电磁场计算的基础上提出最经济的磁钢结构改进h a l b a c h 阵 列，并总结出结论。 6 第二章盘式无铁心永磁同步电动机基本模型及磁路分析 第二章盘式无铁心永磁同步电动机基本模型及磁路分析 2 1盘式永磁同步电动机的主要结构及其特点 早在1 8 2 1 年，法拉第发明的世界上第一台电机就是轴向磁场的盘式永磁电 机，但限于当时的材料和工艺水平，盘式永磁电机未能得到进一步发展。如今， 随着稀土永磁材料的应用以及工艺水平的快速发展，永磁材料、加工工艺等问题 都已经得到解决，轴向磁场盘式永磁同步电机得到了重视和发展。 无论什么结构形式的盘式永磁同步电机，它们的气隙都是平面形的，不同于 传统的圆柱式电机的径向磁场，它们的气隙磁场是轴向的。 图2 - 1 所示的是一台典型的盘式永磁同步电动机的结构图。该电机外形呈扁 平状，其定、转子均为圆盘形，在电机中对等放置。转子盘上粘有多块扇形或圆 柱形按照n 、s 极性交替排列的永磁磁极，永磁体轴向磁化，从而在气隙中产生 多极的轴向气隙磁场。定子铁心一般由双面绝缘的冷轧硅钢片带料冲制卷绕而 成，定子绕组有效导体在空间呈径向分布，绕组一般采用常见的叠绕组或波绕组 联结方式。出于性能等因素考虑，定子也可以设计成为无铁心的结构，定子绕组 仅由导体以适当的方式加工成圆盘形蔫 子为高磁能积的永磁体和强化纤维树脂 灌封而成的薄圆盘。电枢导体有效部分以辐射状径向排列。 图2 - 1 盘式永磁同步电机 该种电机轴向尺寸短、重量轻、体积小、结构紧凑。由于励磁系统无损耗， 电机运行效率高。由于定转子对等排列，定子绕组具有很好的散热条件，可以获 得很高的功率密度。该种电机转子的转动惯量、机电时间常数小，峰值转矩和堵 转转矩高，转矩与质量之比值大，低速运行平稳，具有优越的动态性能。已经广 第二幸盘式光铁心永磁同步电动机基本模型及磁路分析 泛用于机器人、数控机床等高精度的系统中。除此以外，这种电机还可以制成多 气隙组合式结构，进一步提高电机出力，特别适合于大力矩直接驱动装置。 一般，盘式永磁同步电机有多种结构形式，按照定转子的数量和相对位置主 要可以分为以下4 种： ( 1 ) 中间转子结构。图2 一l 所示的电机即为此种结构。此种结构可以使电机获 得最小的转动惯量和最优的散热条件。它由双定子和单转子组成双气隙，其定子 有铁心：分为有齿槽和无齿槽两种，有齿槽定子加工时采用专用的冲卷床，使铁 心的冲槽和卷绕一次成形，这样既提高了硅钢片的利用，又可以降低电机的损耗。 ( 2 ) 单定子、单转子结构。如图2 2 所示。这种结构最简单，但由于其定子同 时作为旋转磁极的回路，需要推力轴承以保证转子不会发生轴向移动。因为转子 磁场在定子中交变，会引起损耗，导致电机的效率降低。 图2 2 单定子、单转子结构盘式永磁同步电机 ( 3 ) 中间定子结构。如图2 3 所示。该电机由双转子和单定子组成双气隙结构， 定子有铁心，不开槽，一定程度上抑制了转矩脉动。定子绕组既可以粘结在铁心 上，也可以均匀环绕于铁心上，形成环形绕组定子。转子为高性能永磁材料直接 粘结在实心钢构成的圆盘上，因此，该电机的转动惯量比中间转子结构要大。由 于电枢绕组直接放置在轴向气隙中，这种电机的气隙长度比圆柱式的大。 第二章盘式无铁心永磁同步电动机基本模型及磁路分析 图2 - 3 中间定子结构盘式永磁同步电机 ( 4 ) 多盘式结构。如图2 4 所示。该电机由多个定子和转子盘组成，交错排列 形成多气隙结构。采用多盘式结构可以提高盘式永磁同步电动机的转矩，气隙数 目越多，电机输出转矩越大，因而该结构的电机特别适合于大力矩直接驱动装置。 心 图2 - 4 多盘式结构盘式永磁同步电机 在盘式永磁电机开发研制的发展过程中，其结构上越来越多的由双转子夹中 间定子形式逐步向双定子夹中间转子形式转化，这是因为中间转子结构可使电机 获得最小的转动惯量和最优的散热条件。但上述各种结构的盘式电机大都存在着 铁心，属于传统结构的电机，存在着由铁心导致的诸多缺陷。 9 第二章盘，无铁心永磁同步电动机基本模型及磁路分析 2 2 双转子单定子盘式无铁心永磁同步电动机 2 2 1 基本结构及其运行基本原理 传统电机中，电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组的支撑部件。 一般来说，电枢绕组就嵌放在电枢铁心的稽内。为了减小电枢铁心内的涡流损耗， 并减小磁路的磁阻，铁心一般采用厚0 5 m m 且具有齿、槽的型号为d r 3 5 0 或者 d r 5 1 0 的硅钢片叠压加紧而成。对于容量大的电动机，还要在硅钢片两面涂以绝 缘漆作为片间绝缘。目前所研究的盘式永磁电机的电枢绕组也大都包含有铁心。 但实际情况是，铁心的存在导致了电机存在很多劣势，如：电机质量大( 铁 心重量约占电机总质量的6 0 左右) 、体积大、损耗大( 铁心的存在导致涡流损 耗和磁滞损耗，占电机总损耗的2 0 5 以上) 、振动噪声大( 铁心的齿、槽是产生 噪声的主要根源) 、效率低下、转动惯量大、响应速度慢等。尤其对于将电枢绕 组嵌放在铁心槽内的有齿槽电机来说，在电机运行时，齿槽效应将使电机的转矩 产生脉动。虽然无齿槽式永磁电机的出现，使得转矩脉动大为改善，但由于存在 铁心所导致的上述的诸多其他问题并没有得到理想得解决。 针对这种情况，对于永磁电机，考虑到如果能利用拥有高矫顽力的永磁材料 作为磁极，不用、或者少用硅钢片，制造成无铁心电机，则电机重量可以大幅度 下降、效率提高、振动噪声显著降低。随着轴向磁通盘式电机制造工艺的发展， 应用高矫顽力的永磁材料作为磁钢并优化磁钢的结构，即使采用无铁心的结构， 也可以获得较高的气隙磁密，并使电机拥有较好的稳态和暂态性能。 在上一节所述的盘式永磁同步电机的主要结构形式基础上，本文提出了一种 双转子单定子的盘式无铁心永磁同步电动机，将电枢绕组安放在双转子之间。其 主要结构如图2 - 5 所示。 书l t t 沪 乡 多 雾i 短i 刁 妄 |专 兰 、 图2 - 5 盘式无铁心永磁同步电机 第二蕈盘式无铁心永磁同步电动机基奉模型及磁路分析 单转子、单定子结构的轴向磁场电机存在一个缺点，即由于永磁体结构的轴 向不对称，定子和转子之间存在着单边磁拉力，这种磁拉力很大，对电机轴承损 害较大，而且会造成电枢变形而影响电机的性能。同时，由于该电机的气隙比较 大，如果磁路设计不合理，漏磁通将会很大。但如果采用“夹层”结构，即在两 个定子之间设一个转子，或者在两个转子之间设一个定子即可以克服这种现象。 为克服单边磁拉力，尽可能减少漏磁，本课题所研究的电机采用了图2 5 所示的双转子夹中间定子结构。由电机外壳和直接粘接于外壳的双侧磁钢构成双 转子，定子电枢绕组放置在双转子中间，与之形成双气隙结构。只要定子设计合 理，制造精确，运行时作用在两侧转子上的磁拉力便可以相互平衡，使轴承不受 轴向力，延长电机的使用寿命。磁钢直接粘结到电机外壳上，这样永磁体和外壳 之问没有相对运动，有效的减少了电机的涡流损耗。电枢绕组采用无槽、无铁心 结构，由绕组注塑而成，可以减少由齿槽效应引起的电磁转矩脉动以及由铁心带 来的诸多弊端。而且，由于电枢绕组无铁心，磁路不存在饱和问题，并使电机质 量减少、损耗降低、效率增加。 经过分析，从性能上，这种采用双边永磁体、双转子结构的无铁心电机，气 隙磁密比单边磁体结构约高出l o 左右，而且极面下的磁密分布也更加均匀，并 可以更充分的利用永磁材料，这有利于提高电机性能、降低成本和缩小体积。转 子旋转时兼有风扇的作用，这有利于电机的散热。 该电机的主磁路从一个极出发，轴向穿过气隙、定子绕组，再穿过轴向气隙 和相邻的另一磁极，最后沿转子轭部闭合。电流径向流动的导体在轴向磁场的作 用下产生切向的电磁力。于是电机气隙中产生旋转磁场，带动转子转动，电机得 以运行。 2 2 2 永磁体的选择和磁极加工 永磁电机的性能、设计制造特点和应用范围都与永磁材料的性能密切相关。 因此，只有合理选用、设计永磁材料才能保证电机的各项性能指标。 盘式无铁心永磁同步电机和传统永磁电机相比，具有特殊性。它的轴向磁通 结构和无铁心结构，使电机气隙长度较传统的永磁电机大( 其气隙长度为图2 5 所示的双气隙长度和电枢盘的轴向厚度之和) ，而无铁心的结构又对永磁体的矫 顽力要求较高。这导致在该电机内，永磁材料的用量相对要多，且永磁材料的性 能要好：由于永磁材料对电机性能、价格的影响很大，因此，永磁材料的选择在 电机设计中具有重要的意义。 目前使用的永磁材料主要包括铁氧体及稀土永磁体，铝镍钴三种，稀土永磁 材料以钕铁硼为代表。这三种磁性材料的性能差异很大，铁氧体具有较低的剩磁 第二章盘式无铁心永磁同步电动机基本模型及磁路分析 ( 0 2 - 0 4 4 t ) 和较低的最大磁能积( 6 ，4 - 4 0 k j m ：) ，而钕铁硼、铝镍钴具有较 高的剩磁。钕铁硼永磁材料的最大磁能积，比其它两种磁性材料大，高达 3 9 7 9 k j m ，但其可逆温度系数绝对值比铝镍钴大，钕铁硼材料居里温度点低， 工作温度仅为1 2 0 。另外，钕铁硼材料如果表面防护层处理不好，容易氧化成 粉末状，从而极大地改变其磁性能。铝镍钴具有较大的剩磁，较好的可逆温度系 数，但矫顽力稍低，磁能面积不够大。 相比而言，钕铁硼永磁材料性能优异，它的问世被认为是稀土永磁材料研究 的一次重大突破，它的高磁能积、高剩磁、高矫顽力可以使电机采用较少的磁钢 就能产生足够的电机磁能积，而且利用钕铁硼永磁材料高矫顽力的优异特性，可 以使电机不用硅钢片成为无铁心电机。因此电机体积、尺寸可以大为减小，由铁 心带来的诸多弊端也得以避免，成为高效率、高密度的电杌。 综合以上因素，考虑到盘式电机本身的特点是形状扁平，体积小，故对于本 文提出的盘式无铁心永磁同步电机，在综合考虑各种永磁体性能、价格、加工工 艺等方面后，决定采用钕铁硼作为永磁材料制作电机磁钢。 钕铁硼永磁材料剩磁密度b ，= 1 2 r ，矫顽力h 。= 9 5 0 k a m 。并且退磁曲线 可以近似看作是线性的。 虽然钕铁硼永磁材料的温度系数较大，但在盘式电机中，由于永磁体直接安 装在转子盘上，转子盘在空气中旋转，而且靠近电机外壳，因此具有良好的散热 条件，温升较低，去磁效应较缓和，对性能影响并不严重，对盘式无铁心永磁同 步电机非常适合。 盘式永磁同步电机的磁极为圆环形。磁极的加工通常有两种方式。一种是环 形磁极整体充磁，另一种是采用扇形磁极或者梯形磁极分别充磁，再粘接成环状。 一般来说，采用价格低廉的永磁材料如铁氧体时，可以采用环形磁极结构，环形 磁极容易装配，可以保证较小的气隙。而采用高性能的永磁材料如钕铁硼时，大 都采用扇形或梯形结构，该结构的永磁体可以使每极获得较大的磁通，且制造时 容易保证质量，装配时调整余地大，但对装配要求较高。 2 2 3 磁钢结构制a ib a c h 阵列的概念 盘式无铁心永磁同步电机为双转子结构，其磁钢为圆环形直接粘接到转子外 壳上。由于盘式无铁心永磁电机的气隙磁场为轴向磁场，决定了其磁钢必须可以 激发出轴向磁场，且磁场波形要为适应同步电动机的正弦波：并且，由于电枢无 铁心，为了制造出的盘式无铁心永磁同步电机为高力能密度的电机，由磁钢激发 出的气隙磁密值应该尽可能高。 为了达到上述要求，需要在磁钢结构上做研究。最普通的磁钢结构为n 、s 2 第二章盘式无铁心永磁同步电动机基本模型及磁路分析 交替排列的轴向充磁磁钢结构，其排列方式及磁路见图2 8 。这种结构能够保证 轴向磁通，制造工艺也最为简单，但对于盘式无铁心永磁同步电机气隙磁场正弦 波、气隙磁密值尽可能高的要求却很难满足。另一种方法是改变组成磁极的每块 永磁体的充磁方向，即引入h a l b a c h 永磁体阵列的概念。 ( 1 ) h a l b a c h 阵列的发展及基本原理 h a 】b a c h 阵列最早是在二十世纪八十年代，由美国劳伦斯伯克利国家实验室 的k l a u sh a l b a c h 教授提出的，并在二十世纪八、九十年代被国内、外研究机 构相继成功地应用于新一代的粒子加速器、自由电子激光装置、同步辐射装置等 高能物理领域。从二十世纪九十年代中期开始，基于h a l b a c h 阵列的许多优秀特 性，国际上逐渐开始重视其在电机领域的应用，已经成功应用于径向磁通的柱状 电机，并取得了良好的效果：但对轴向磁通的盘式无铁心电机，h a l b a c h 阵列的 应用还是一项空白。 ( a ) 径向永磁体阵列( b ) 切向永磁体阵列 ( c ) h a l b a c h 永磁体阵列 图2 - 6 各种永磁体排列结构比较 图2 6 ( c ) 就是h a l b a c h 永磁体阵列的一种形式，它将图2 6 ( a ) 、( b ) 所示 的径向永磁体阵列和切向永磁体阵列结台在一起，相邻磁化向量之间存在9 0 “夹 角。也就是说，h a l b a c h 阵列打破了传统的径向、切向磁钢排列方式，它的概念 是使磁化矢量的方向作为沿着阵列距离的函数连续旋转，即：每两个相邻磁化矢 量在方向上存在着夹角。在实际应用中，该夹角常为9 0 。、6 0 。和4 5 。三种。 ( 2 ) 应用h a l b a c h 永磁体阵列后的电机特点 对于永磁同步电机，总是希望气隙磁场的波形为正弦形，这用普通的轴向充 磁永磁体结构很难实现。应用h a l b a c h 型永磁体阵列，可咀很容易得到在空间 按较理想的正弦分布的磁场，同时可大大减弱电机的齿槽效应力矩。即使每极采 用较少的永磁体段数，也可以很容易得到和理想h a l b a c h 永磁体阵列类似的磁 第一章盘式无铁心永磁同步电动机基本模型及磁路分析 场分布。这些特点使得采用h a l b a c h 型永磁体阵列的电机的齿槽效应力矩几乎可 以忽略不计，有利于提高电机的性能，降低电机成本。 对于永磁电机来说，总是希望气隙磁通增加而转子轭部磁通减弱。h a l b a c h 型永磁体阵列具有的磁屏蔽效应正好能满足这一要求。磁屏蔽效应使阵列的一侧 磁场增强，另一侧磁场被削弱。这一特性有助于提高电机气隙中的磁密，对于提 高电机的力能密度和缩小电机体积都十分有利。同时，由于h a l b a c h 永磁体阵 列所具备的这一特性，可以大大减弱电机轭部的磁通，即可以大大减小电机的漏 磁系数并减少轭部铁心的质量甚至可以省却铁心，有助于降低成本，使得电机转 子的质量和转动惯量相应变小，有助于提高电机的动态特性。 采用h a l b a c h 永磁体阵列，可以提高电机的效率。与常规的永磁体激磁结构 的电机相比，采用h a l b a c h 阵列后的电机的空载损耗可以降低一个数量级。 采用h a l b a c h 型永磁体阵列，可以降低电机的电磁力矩脉动。降低对电机轴 承的要求。采用h a l b a c h 永磁体阵列的电机，还具有冷却容易，电感系数相对 较小等特点。 ( a ) 普通轴向充磁永磁体阵列磁场分布( b ) h a l b a c h 永磁体阵列磁场分布 图2 7 普通轴向充磁磁体结构与h a l b a c h 型磁体结构的磁场分布 图2 7 分别绘出了双侧磁钢夹中间气隙的盘式无铁心永磁电机分别应用普 通轴向充磁结构和h a l b a c h 型永磁体阵列结构的等磁位线分布图。从图中可见， 和普通轴向充磁结构相比，应用h a l b a c h 型永磁体阵列的电机，进入气隙的磁通 明显增多，轭部磁通明显减少，电机完全可以做成无铁心结构。可见，应用 h a l b a c h 型永磁体阵列于本文提出的盘式无铁心永磁同步电机，可以得到较高的 气隙磁密和较低的漏磁系数。 h a l b a c h 型永磁体阵列特别适用于永磁体表面安装的转子结构。将h a l b a c h 永磁体阵列的概念应用到盘式无铁心永磁同步电机的磁钢结构设计上，利用 f l a l b a c b 永磁体阵列自身的诸多优点，会取得很好的实际效果。 2 2 4 盘式无铁心永磁同步电机主磁路分析 常规的径向磁通电机导体沿轴向排列，气隙磁场沿轴向分布不变，可以简化 成二维电磁场，使计算大为简化。而盘式永磁同步电机的电磁场分布比较复杂， 1 4 第二章盘式无铁心永磁同步电动机基本模型及磁路分析 为轴向磁通、呈三维分布。这里，从普通的n 、s 交替排列的普通轴向充磁磁钢 结构入手，对盘式无铁心永磁电机的主磁路进行分析，通过磁路分析总结其磁场 规律，可以为分析其磁场奠定基础。对研究应用h a l b a c h 型永磁体阵列的电机磁 场也有指导意义。 仅就主磁路而言，主磁通从一个极出发，轴向穿过气隙和与之相对的另一极， 沿圆周经过转子轭，再穿过相邻的磁极和轴向气隙，最后沿转子轭部闭合，如图 2 8 所示。 端 碰 l ， i+ 与霹 弋 卜 +i 图2 8 盘式无铁心永磁同步电机主磁路示意图 在盘式无铁心永磁电机中，各部分磁密分布是不均匀的，不同半径处的磁路 长度也不相同，磁路尺寸随直径而变化，尤其是主磁通在磁轭中的分布情况也比 较特殊，这都导致磁路计算的复杂性。 对于本文提出的盘式无铁心永磁同步电机( 图2 5 所示) ，由于电枢无槽无 铁一i f , ，直接由绕组注塑而成，可以在进行磁路或磁场分析时，将其磁性能视为与 空气相同，即本电机的气隙长度较长，外加无铁心结构，使得主磁路一般不饱和， 磁轭中的磁位差可以忽略，同时也可以忽略电枢反映。对于其磁路尺寸随直径而 变化的问题，在磁路分析中，最常用的方法是取平均直径处的磁路作为主磁路进 行分析。 图2 - 9 描述了采用平均直径法计算的主磁路。主磁路同时经由两条磁路而闭 合，一条磁路在极中心处的径向截面处，经由气隙、磁轭和端盖闭合，为径向磁 路，如图2 - 9 ( a ) 所示：另一条在平均直径处的周向截面处，从一侧永磁体的n 极出发，经过气隙及与之相对的永磁体s 极、磁轭、另一侧永磁体的n 极，最后 再经气隙到达一侧永磁体的s 极、穿过磁轭，返回一侧永磁体的n 极，为周向磁 第二章盘式无铁心永磁同步电动机基本模型及磁路分析 路，见图2 - 9 ( b ) 。 盖 ( a ) 径向截面 ( b ) 周向截面 图2 - 9 盘式电机径向、周向截面 根据以上的电机磁路模型，对采用普通轴向充磁磁钢的盘式无铁心永磁电 机，可以得出 h s 6 = 2 h 。h ( 2 - 1 ) 其中，占电机气隙计算总长度，在数值上等于电机双侧气除长度与电枢厚 度之和： h 。电机永磁体磁化方向长度，即永磁体的厚度a 由磁通连续性原理，有 2 a 。b 。= o - a 5 8 6 式中，仃漏磁系数，定义为总磁通与气隙主磁通之比值 一。永磁体提供的每极磁通面积； 爿。每极气隙的有效面积。 ( 2 2 ) 若电机的极对数为p ，永磁体的内、外径分别为_ ，和d 。，极弧系数和计算极 弧系数分别为口。和口，则有 爿，上8 p 撇，( d 二一。，2 ，) 以= 去膨以( 。2 。一珑，) ( 2 3 ) ( z - 4 ) 其中，k 。为气隙磁密分布系数，定义为气隙磁密沿圆周分布曲线所对应的 幅值随半径变化曲线的平均值与最大值之比，它同时考虑了气隙磁密的三维分 6 第二章盘式无铁心永磁同步电动机基本模型及磁路分析 布、边缘效应和电枢绕组端部伸长对气隙磁密幅值的影响，真实的反映了气隙磁 密的三维分布情况。对于本文采用的以平均半径处的气隙磁密代替实际气隙磁密 的磁路计算方法，需要引入气隙磁密分布系数五，以保证每极的磁通量保持不 变。气隙磁密分布系数是一个经验常数，其值小于1 ，一般在o 8 5 0 9 8 范围内。 对于永磁体，其回复线可表示为 b 。= 一，o h 。+ b ， ( 2 - 5 ) 对于盘式永磁同步电机，一般来说，在磁路计算中，可取计算极弧系数等于 极弧系数，即 口。= 口 耻南 a 口n h ( 2 6 ) 采用磁路计算的方法，可以近似的认为世，值为1 。加上前面的结论，对于 钕铁硼这种退磁曲线可以近似线性化处理的永磁材料，气隙磁通密度比可以近 似表示为 耻瓦2 噘b r ( 2 7 ) 通过磁路计算的方法近似计算，可以看出，在选定钕铁硼作为磁极的永磁材 料之后，该盘式无铁心永磁同步电机的气隙磁密与电机的漏磁系数、气隙长度与 磁钢厚度的比值密切相关。在对磁钢结构分析的过程中，重点即是对以上二者进 行讨论，以达到使电机气隙磁密值尽可能大的目的。 2 2 5 盘式无铁心永磁同步电机的基本电磁关系和主要尺寸关系 图2 1 0 为简化了的盘式无铁心永磁同步电机的样机截面图以及普通n 、s 极交替排列的轴向充磁磁钢示意图，电机整体为双边永磁体、双气隙结构。为了 获得较大的每极磁通量，磁极形状一般采用扇形或梯形。以钕铁硼永磁材料粘结 而成。 其中，瓯为单侧空气隙长度，为电枢绕组轴向长度， 。，为单边永磁体磁 化方向厚度，磁钢呈圆环状，d 。、d 。，分别为磁钢的外径和内径。而作为轴向 磁场电机，其最的主要尺寸是永磁体外径、内径之间的比例关系。 鳖兰墨壅垂壁：! 查壁旦生皇垫垫苎查堡型墨壁塑坌塑 ( a ) 电机截面及主要尺寸示意图 ( b ) 普通结构磁钢示意图 图2 l o 盘式无铁心永磁同步电机截面及磁钢截面图 ( 1 ) 基本电磁关系 理想情况下轴向磁场无铁心盘式永磁同步电机的气隙磁场应该是正弦分布 的，故其气隙的磁通可记为 办= ，s i n ( c o t ) 则