轴向永磁电机的设计方法

轴向磁通永磁电机的电磁设计

J.R. Bumby,R.Martin,M.A Mueller,E.Spooner,N.L.Brown and B.J. Chalmers 摘要：一般，轴向磁通发电机提供了在无槽磁域计算的分析方法。最基本的构建块是电流片在两片无限渗透的铁表面产生的矢量。通过对磁体周围的电流和集成磁体的厚度进行建模，可以发现矢量的电势和磁场与永磁体有关。相比之下，定 还有三维有限元的研究结果相比较，发现误差在5%之内。此外，电动势，磁链和电感的测量已经在两个发电机上进行并且比较了有限元素和分析结果。分析模型预测的电动势的误差在5%之内。端绕组的环形电感，气隙和电枢绕组大大增加了总电感量使的解析模型预测的总电感量与测量结果的总电感量相差不到10%。 符号列表

A 矢量势 Z 电枢绕组每圈的导体数 B 磁通密度，T ? 电枢线圈之间的位移,m

Brem 永磁体的漏磁，T ?0 自由空间磁导率

C 运行间隙，m ? 波长

Dm 平均内径，m ?p 级距

E 电动势，V ?m 磁铁宽度

H 磁场强度，A/m ?e，?m 线圈的蔓延,电气或机械弧度 I 电流，A ?磁通量 Wb J 电流密度，A/m2 ? 磁链 K 线性电流密度，A/m

Kdn n倍的谐波分布的因素 kl,mag 有效长度比率(见(26)

Lm 磁体径向长度、m

N 谐波数

Nc 每电枢线圈匝数

P 极对数

Ri 定子铁芯的内半径，m Ro 定子铁芯的外半径，m

Rm 平均铁芯半径，m tc 铁芯厚度，m

un 2pn/?

? 线圈宽度的平均半径,m

ya 电枢厚度、m

Ym 磁体厚度，m Y1 电流片的位置

Y2 转子与定子铁芯表面的距离 Y2eff 有效空隙

1 引言

广泛的可适用性和减少成本的高剩磁，钕铁硼永久磁铁使轴向电机替代了低收入和中等功率电动机和发电机的应用程序。在许多情况下，特定转矩的轴向磁通电机比其径向磁通的更好【1,2】，而其几何尺寸可能会更与一般比例机械相容，无论是驱动或者是被电机驱动。很短的轴向长度需要去容纳磁场和电子元件可能使设计不需要单独的轴承和高的转动惯量的转子就可以成为一个有用的飞轮功能。一个轴向电机特别使用的例子是直接驱动风力发电机【3-5】，在紧凑的发动机 - 发电机装置里，无论是一般应用[6]或在一个混合电力车辆[7]，或在轮电动机[8-11]。

在一般的轴向磁通机器的至少包括一个转子盘承载轴向极化磁铁和一个定子转子盘携带无槽或无槽绕组。定子可以是磁性也可以是非磁性的，这取决于机器的拓扑结构。基于这些概念的大量轴向磁通的拓扑结构是可能的，包括单级[11]，双级[7，12]或多级设计。我们将集中于带铁芯的各种定子无槽绕组和环形线圈来建立定子气隙绕组。由于这种类型的绕组结构通常被称为一个“圆环”机[12]。这样一台机器的基本的横截面示于图1，它包含两个转子盘，每个转子盘周围的磁极排布为N-S-N-S。一张盘上的磁体的北极对着另一张盘上磁体的北极，这样使磁通轴向跨越气隙，然后转向周向延成的带状卷绕铁芯返回转子前，一个磁极一个磁极的进行。每个电枢线圈缠绕环状带绕铁芯，对于一个三相机有三个电枢绕组每极之间最大差价60电角度。本机的拓扑结构被用于紧凑的，可变速的集成生产装置中（VSIG）并已经被Newage-AEG-SVK [6, 7]商业化。

当机器运转时，空气被吸入机器的轴向中心同时自然抽水能力使冷却空气径向横跨电枢绕组。这种泵送作用由磁铁进一步增强并作为风机叶片来确保电枢绕组有良好的冷却。这种直接空气冷却的绕组允许高达20 A/mm2电流密度直接通过。

机器内部的磁通由永磁体和电流通过定子线圈产生。要确定一台机器的设计，并评估其性能，焊剂成分是必须的，无论是由磁通引起的电动势或者是由电枢绕组的电抗引起的它均可以很方便的表达出。电动势和电感设计的表达式基于磁性等效电路，它很容易评估并能用于设计可达到预期目的的机器[7]。然而这

样的设计表达式没有考虑到泄露和边缘领域，同时在很多设计中[7, 12]磁铁的径向延伸超越了定子来增加转子磁链和电动势。解析表达式中本身与这些影响有关的因素被提了出来。设计表达式可预测磁通密度，感应电动势和电枢电感和他们的精度，这些都是在有限元和实验工作支持的基础上完成的。

Marignetti Scarano[10] 在一个轴向磁通的机器里采用分析技术来预测磁铁的磁通密度，但需要有限元素作为解决方案的一部分。查尔默斯等人[13]用一个两维的拉普拉斯表达式来推出电枢电抗表达式。我们使用了类似查尔默斯等人的方法[13]。但现在有统一的2维（2-D）的方法来计算磁通和电枢反应通量。实验测得的电动势和电枢电感值将被用于于分析方法和有限元研究的方法得到的结果相比较。在2-D中有限元计算解决方案同时使用了MEGA[14]和FEMLAB[15]和3-D MEGA。

2：分析模型 2.1 模型

如图1所示，观察其机器上的径向向内图，并忽略曲率，把机器等效于图2来表示，其中的x坐标表示圆周方向，y坐标轴向方向。图3示出的2-D数学模型，用来分析其中一个气隙中的磁场。电流片被用来建立磁体和电枢电流的模型，这样从位于定子和转子的铁之间的一个广义的电流片中计算矢量势是在分析中使用的基本构造块。类似的技术已被用在[16，17]。在分析中的定子和转子被视为无穷可渗透边界，电流片具有谐波分布形式：

这里波长为两倍的磁极间距，Kn的值依赖于实际的电流分布并在第2.3节中的磁体和第2.4节中的电枢绕组中有所阐述。

2.2 电流片的矢量势和磁通密度 矢量势和磁场在上下方均有，拉普拉斯的方程的解受制于铁表面的边缘条件，在电流片中：

磁矢量势只有一个Z分量，所以磁场可从下式得到：

拉普拉斯方程的解给出了矢量势和磁场的正常的组成部分，在区域1和区域2中：

区域1：

区域2：

2.3磁体的磁场

电枢（区域2）中磁铁的磁场可由式5和6中计算出，通过用多层而且每层用一个等效的电流片来表示来表现出磁体的磁化。在Y点的矢量势是通过整合的磁铁的厚度得出的，图4：由于永久磁铁的相对反冲磁导率大于1，这必须在分析中考虑。在制定两个地方相对渗透出现的影响问题时，首先用电流的大小对磁体建模，其次，结果作为这一领域中的相对渗透率。这里所采取的方法是在考虑磁铁反冲通透性的影响，同时在解决方案中假设

对电流建模。这对式5和

6直接适用。在磁体域中与相互渗透率计算有关的一个修正因子是提出了用磁电路方案的比较。这种方法的准确度和影响将在第4节讨论。为了计算等效磁铁线性电流密度分布^ Kn，每个磁铁可表示为在其边缘处一个微小的厚度角扩展度为2q的地方流入的电流。如图4：磁体的等效电流的大小：

和一个相应的电流密度：

其中

是极间距。独立的电流密度谐波现在可以通过以下方式获得傅立叶

分析得到磁体的等效电流密度分布。即：

这里：

现在磁体被化成若干电流片，每片在dy轴上都有线性电流密度：

在区域2中矢量势在任一点的y值是将10式带入5式并对磁体 …… 此处隐藏：2171字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……