盘式聚磁低速发电机

杨 林，何永义

(上海大学，上海200072)

0 引 言

现在人们开始认识到微量的有毒有害气体排放对环境有很大影响，如冰山消融、海平面升高、土地沙漠化，各国都认识到必须共同采取措施减缓这种变化。为减缓地球变暖，各国都在进行环境资源检测，同时避免给环境带来二次污染。然而向工作在偏远地区、条件恶劣的资源监测，危险报警，而且频繁移动的仪器提供电力十分困难。虽然锂离子电池性能优越，但是在这样的环境下更换电池极不方便，而且很多仪器停电重起时间很长，也是作业所不允许的。而微风低速风力发电机则具有很多优势，例如风能在能源转化工程中不会产生任何排放，因此除了不产生有害气体等区域性污染外，也不会带来全球环境污染;成本低廉，可以与一节锂离子充电电池相比;可以长时间给仪器供电;不需要拉线，可以随时迁移。

但是这些能源单位体积所携带的能量有限，要能高效地收集这些能源，发电机是能量转换的关键设备。例如风力发电机，最多每分钟几百转。因此发电机的技术指标、经济性、可加可性等决定着其在市场中的竞争力。常用发电机分为盘式和圆柱式两种:圆柱式发电机的气隙磁场延径向分布，而盘式发电机气隙磁场沿延轴向分布;要想获得较高的发电效率，圆柱式发电机必须运行在高速下，而盘式发电机的定转子为平行结构，克服了圆柱式电机定子包容转子的结构缺点，轴向尺寸小，没有叠片和铆压工序，工艺性好，因此盘式发电机可以运行在低速条件下［1－2］。

盘式永磁发电机有多种结构，通常分为有槽面和无槽面两种，其典型结构呈扁平状，定子上粘有多块扇形或圆形按N、S 极性交错排列的永磁体，并固定在电枢一侧或两侧的端盖上。永磁体轴向磁化，从而在气隙中产生多极的轴向磁场［3－4］。这种环形结构磁极排列简单，但是磁极之间漏磁较大，放置定子绕组需要增大气隙，导致了永磁体厚度的增加，需要较多的永磁体来增加磁场，电极的体积也随之增大，成本上升［5－6］。

本文提出的盘式聚磁低速发电机，利用钕铁硼的高性能和软铁的高导磁特性，通过两者结合改进磁路，设计出最优化的聚磁磁路结构，形成结构紧凑、漏磁少的磁钢，从而使低速发电机高密度轻量化，降低了磁极的厚度，减少了磁极之间的漏磁，容易实现多极对数，在多极对数的情况下，漏磁也不会增加，因此提高了发电机的效率，减小了发电机的体积。

1 聚磁盘式结构

1.1 聚磁的磁路结构

盘式电机多数是安装在轴向尺寸较小的空间，为了减小盘式电机的体积，必须提高单位体积内的磁场强度，减少漏磁;为了降低电机的成本，又必须尽可能减少钕铁硼的用量。为此本文提出了一种聚磁的盘式结构，通过软铁改变磁力线的方向，达到聚磁的目的，其结构对比如图1 所示。

图1 磁路结构对比示意图

两个磁铁的同极性面对面放置在同一软铁的两边，主磁路从一个磁极出发，通过软铁时磁力线旋转90°，轴向穿过气隙到达与之相对的另一磁极，同样再穿过相邻的磁极和轴向气隙，最后形成闭合回路。实验表明，采用双边聚磁磁体结构，气隙磁密比传统的高出10% 左右，采用双面结构可以更充分利用钕铁硼材料，有利于提高电机性能、降低成本和缩小体积。

1.2 磁钢主要尺寸计算

设电动势为E，绕组并联支路数为a，极对数为p，总导体数为N，电机转速为n，则气隙磁通量:

根据电枢的厚度确定气隙的长度，计算出磁钢的磁场强度，查该磁钢的磁能积曲线，确定磁钢磁感应强度为B，则磁钢的截面积A:

根据电机的直径以及极对数确定磁钢的长宽，为了方便测试发电机，本文采用PCB 作为电枢，电机直径100 mm，厚度20 mm，测试用发电机如图2所示。

图2 测试发电机照片

2 聚磁盘式发电机测试

本文采用9 对极结构，没有变速箱，性能可靠安全，结构紧凑，而且漏磁小，发电效率高，很好地利用了钕铁硼的优点。试验时采用直流电动机驱动发电机，通过示波器获得发电机从42～525 r/min 条件下空载端电压输出波形，从图3 可以看出，发电机在不同转速下的电压波形为正弦波，波形完整平滑。

图3 发电机电压输出波形

发电机的空载试验结果如表1 所示。

表1 发电机空载试验数据

3 结 语

本文阐述了聚磁盘式低速直驱发电机的聚磁结构，并设计了一台小型的测试发电机，通过试验对发电机的性能进行了评估，发电机在低速下性能优良。为了提高输出功率，可以增大电机的直径，也可以方便快捷地增加发电机的磁极对数，而且安装方便。由于现在的钕铁硼材料性能优越，先进的加工制造技术可以保证足够小的气隙，从而设计出紧凑、性能优越、价格低廉的低速发电机，而且较低的成本也利于这种电机的推广。

［1］ 杜华夏，王心尘，范正萍，等．新式盘式永磁直流风力发电机的设计与仿真［J］．能源技术，2008，9(3):151－154，156．

［2］ 黄科元．盘式永磁同步发电机的电磁场分析［J］．湖南大学学报(自然科学版)，2008，35(3):41－45．

［3］ 唐任远，等．现代永磁电机理论与设计［M］．北京:机械工业出版社，2010．

［4］ 邓隐北，史谦东，王华．轴向磁通的低成本盘式永磁发电机［J］．电力科学与工程，2009，25(11):12－16．

［5］ 李辉，薛玉石，韩力．并网风力发电机系统的发展综述［J］．微特电机，2009(5):55－61．

［6］ 谭勋琼，吴政球．大功率直驱永磁风力发电机的电磁结构分类及特征分析［J］．长沙理工大学学报(自然科学版)，2010，7(4):55－63．

［7］ 赵朝会，李遂亮，王新威．径向和切向结构永磁同步发电机的比较研究［J］．大电机技术，2004(4):1－4．

［8］ 牛志钧．永磁电机制造关键工艺浅议［J］．电机与控制应用，2007，34(4):59－61．

［9］ 颜建虎，林鹤云，冯奕．磁通切换型横向磁通永磁风力发电机［J］．中国电机工程学报，2011，30(21):67－72．

［10］ 施进浩，李永斌，江建中．聚磁式横向磁场永磁电机自定位转矩研究［J］．电工技术学报，2005，20(3):36－39．

［11］ 刘景林．航空稀土永磁同步发电机研究［J］．西北工业大学学报，2001，19(4):592－595．

［12］ 周晓燕，史贺男，王金平，等．低速永磁风力发电机起动阻力矩的分析计算［J］．中小型电机，2005，32(2):15－17．