转子结构对轴向磁场磁通切换永磁电机性能的影响

张 磊，李立博，林明耀

(1．国网电力科学研究院，江苏南京210003;2．中国石油锦西石化分公司，辽宁葫芦岛125001;3．东南大学，江苏南京210096)

0引 言

轴向磁场永磁电机相比较其他结构的永磁电机，历史最为悠久，然而由于其制作工艺复杂而一度受到冷落［1］。随着永磁材料的发展和工艺水平的提高，轴向磁场永磁电机以其独特的优势，越来越受到人们的关注［2-4］。

轴向磁场磁通切换永磁电机(以下简称AFFSPM)是一种新型的轴向磁场双凸极永磁电机，相比较其他结构的轴向磁场永磁电机，具有轴向尺寸短、功率密度高，永磁材料利用率高等优势［5-6］，因而具有巨大的发展潜力。

本文首先介绍AFFSPM电机的结构，然后采用解析与仿真相结合对转子齿宽进行优化;最后，在此基础上，对转子齿形和厚度对电机感应电势和定位力矩的影响进行讨论。

1 AFFSPM电机结构

三相12/10极AFFSPM电机结构如图1所示。其转子置于两个定子中间，定子铁心与沿切向充磁的永磁体交替放置;转子采用卷绕式工艺叠压而成，其上既无永磁体，也无电枢绕组。该电机的磁场呈对称分布，即由永磁体产生的磁势沿定子铁心、气隙、转子齿、气隙、定子铁心呈对称降落。

2转子齿宽优化

2．1 解析分析

所分析的AFFSPM电机为三相12/10极结构，故其d轴和q轴之间的机械角度:

式中:βm和βe分别表示机械角度和电气角度;pr为转子齿数。

当转子齿与定子齿右边对齐，如图2a中的虚线所示，电机气隙磁通将达到最大，此时永磁体的利用率最高，设此时的转子齿宽为Bro，则有:

式中:βpm为永磁体初始设计宽度;βr为转子齿初始设计宽度;kr为转子齿宽系数，定义如下:

将 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

图3为AFFSPM电机有限元仿真模型。在程序中，改变kr，保持其他结构参数不变，不同转子齿宽时的永磁磁通、感应电势和定位力矩的计算结果如图4所示。

图3 AFFSPM电机有限元分析模型

从图4中可以看出，当kr＞1．4时，永磁磁通和感应电势的幅值均几乎不变，且当kr=1．4时，定位力矩的峰-峰值也最小。因此，仿真结果验证了解析分析所得的结论。

3转子齿形与厚度对电机性能的影响

3．1 转子齿形

AFFSPM电机的转子齿为扇形齿，如图5所示。

图5 转子齿形

改变θ角以改变转子齿形。发现当θ为2．5°时，感应电势的谐波畸变率最小，达到1．21%，且感应电势幅值随θ的增大而增大;当θ为7°时，感应电势的谐波畸变率为5．22%，但此时的定位力矩峰-峰值最小。感应电势在θ为2．5°时的波形及其谐波分析如图6所示，图7 是 θ为0°、5°、6°和 7°时的定位力矩比较。

3．2 转子厚度

转子齿铁心是磁的良导体，其磁导率远大于空气，故永磁体产生的磁势基本降落在电机气隙中，降落在转子齿上的磁势可以忽略不计。因此转子厚度的改变，对电机气隙磁场的影响较小。通过仿真可知，随着转子厚度的增加，感应电势基本不变，定位力矩峰-峰值也基本不变，但波形变化明显。转子厚度为16．5 mm、17．5 mm 和 18．5 mm 时的定位力矩比较如图8所示。

图8 定位力矩随转子厚度的变化情况

4结 语

本文以三相12/10极AFFSPM电机为例，在阐明其结构特点的基础上，采用全场域三维有限元法分析了转子结构参数，包括齿宽、齿形和厚度对电机性能的影响，结果表明，转子齿宽与转子齿形对电机性能的影响明显，而转子厚度对电机性能的影响较小。

［1］ 唐任远．现代永磁电机理论与设计［M］．北京:机械工业出版社，1997．

［2］ Aybin M，Huang S，Lipo T A．Axial flux permanent magnet disc machines［R］．A review，Research Report，2004．

［3］ Chen Y C，Pilly P．Axial-flux PM wind generator with a soft magnetic composite core［J］．IEEE Transacions on Industry Applications，2005，32(8):231-237．

［4］ Letelier V B，González D A，Tapia J A．Cogging torque reduction in an axial flux machine via stator slot displacement and skewing［J］．IEEE Transacions on Industry Applicaions，2007，43(3):685-693．

［5］ Yong P，Zhu Z Q，Howe D，et al．Eddy current loss in the frame of a flux-switching permanent magnet machine［J］．IEEE Transactions on Magnetics，2006，42(10):3413-3415．

［6］ 花为，程明，诸自强．新型两相磁通切换型双凸极永磁电机的静态特性研究［J］．电工技术学报，2006，21(6):70-77．