一种新型无铁芯电枢盘式电机的设计与分析

解祖品

摘 要：盘式电机是一种气隙为平面、磁场为轴向的电机，盘式电机具有结构紧密的特点，其能够降低无效功耗的产生以及易于制成无铁芯电枢结构，因此其在实践中具有广泛的应用价值。

关键词：无铁芯；盘式；电机；设计；测试

引言

电机在运行过程中，由于受到内部结构等因素的限制使得电机在运行过程中产生了能耗，这些能耗的产生会大大降低电机的运行效率，而且还会导致电机运行期间的温度过热，进而影响电机的使用寿命，而设计一种无铁芯电枢盘式电机则可以大大降低上述的缺陷，提高了电机的运行效率。

1 设计无铁芯电枢盘式电机的动机

之所以选择设计无铁芯电枢盘式电机是相对于传统电机运行所存在的缺陷而言的，电机在运行过程中所产生的热能会影响到电机的运行效率，传统的电机散热主要是依靠电机外壳与外界介质之间的对流换热实现的，而盘式电机主要是靠电机的两端进行散热，这样就会导致盘式电机的散热条件比较差。同时盘式电机由于其内部空间比较小，而且封闭性比价强，这样就会导致盘式电机的运行效率、输出功率等大大受到影响，因此基于电机内部损耗的需求，需要设计一种新的无铁芯电枢绕组结构的盘式电机，以此提高电机功率紧密的目的。

2 新型无铁芯电枢盘式电机的设计

从当前电机的结构形式分析入手，永磁盘式电机即可以设计成铁芯结构的也可以设计成无铁芯结构的，由于无铁芯永磁盘式电机的工作气隙比较大，如果设计成单边结构的则有存在很大的单边磁拉力的现象，因此文章设计的电机结构为无铁芯的、双边永磁转子结构。该电机是一种11kW的永磁无铁芯盘式电机，其最高工作温度为100摄氏度，其选择钕铁硼永磁材料，最高的工作温度为180摄氏度。

2.1 电枢绕组损耗产生的机理与元件导线的选取

在电机设计结构中，假设在零磁场中，电流电通过导体，电流就会在导体截面上均匀的分布，其产生的损耗为直流损耗，但是如果电流通过一定导体时电流就会产生领近效应以及涡流，这样就会导致铜损的增大，因此电枢绕组中的损耗主要是受到临近效应的铜损所引起的：一是铜损。铜损的产生主要是受到集肤效应与邻近效应的影响而产生的，因此在设计电机时需要充分考虑这些因素；二是涡流损耗。涡流就是导体在非均匀磁场中移动时，在导体内部形成的闭合电路路径，一般而言尺寸比较大的导体在交变的磁场中都会产生感应电动势，这就是涡流，可以说电机内的涡流损耗不仅会降低电机的工作效率，而且还会造成电机局部的温度过高，因此对于无铁芯电机，为减少涡流损耗，我们将其设计为由许多铁磁材料薄片叠成的结构。而文章设计的电机为无铁芯永磁盘式电机，这样就会减少铁芯涡流的损耗，提高电机的工作效率。

2.2 利兹线电枢绕组设计

无铁芯永磁盘式电机的损耗与元件导线参数有着密切的联系，因此选择一种新型的导线代替原来电机铜线导体时降低定子电枢绕组损耗的有效途径。利兹线是德国产品，其采取的是多跟绝缘漆包细导线相互编制而成的绞合线，其能够降低集肤效应、邻近效应所产生的涡流损耗，虽然其在我国功率型电机设计中应用比较少，但是在某些行业却具有广泛的应用价值。电机的设计关键技术就是无铁芯永磁盘式电机电枢的制造，因此对电机的设计而言，电枢绕组的设计与计算尤为关键。根据文章电机设计的要求，文章设计的电机选择利兹线绕制电枢绕组，绕组设计为3相Y接法的单层波绕组，无铁芯布放，导通方式为3相2状态120。导通，额定电流为22A。首先应该选择直径为1.3mm的利兹线，由55根直径为0.13mm热风自粘细绝缘漆包线编制而成。然后在进行元件的成型设计，一般线圈匝数为40匝。在完成所有步骤之后，便可以进行电枢绕组盘的制作，最后在利用环氧树脂对绕组盘进行密封固定，然后进行加工到位。

2.3 11kW利兹线电枢无铁芯盘式电机的总体设计

通过对上述设计步骤的分析与讨论，11kW利兹线无忒心盘式电机的设计参数主要是：电机的设计额定功率为11kW、额定电压为530V、额定电流为22A、额定效率为0.92η、极对数为8对、元件匝数为40w1、电枢内外半径分为为128、222mm。电机的基本结构如图1所示。

3 无铁芯电枢盘式电机的损耗计算

无论哪种电机在运行中都会产生损耗，这些损耗有很大一部分会转化为热能，从而会导致电机局部温度的过热，最终会影响电机的使用寿命和工作效率，虽然文章设计的利兹线电枢绕组能够有效的拟制涡流损耗，但是通过对电机损耗的计算对提高功率型无铁芯永磁盘式电机的工作效率具有重要的参考意义。通过前面所述我们知道电机在运行过程中产生的损耗既包括涡流损耗、铜损还包括转子的铁损、机械损耗以及附加损耗等等。由于电机特殊的内部结构，因此文章选择分段式三维磁场有限元法，以此计算分析无铁芯盘式电机的涡流损耗。在进行无铁芯电枢盘式涡流损耗时，首先需要进行假设：一是假设利兹线每股之前保持平衡的分布；二是由于单根利兹线的直径比较小，对单根利兹线内的损耗计算我们要进行相同的处理，以此计算利兹线的总体涡流损耗。

分段式三维磁场有限元法的计算：首先要建立三维无铁芯电机的八分之一模型，然后应用有限元法对静磁场进行分析，以此得出气隙磁密的三维分布，然后在气隙空间内设置磁密采样路径；然后在对这些气隙进行分段，具体分为N段，每段设置为K层采样路径，通过K×N个气隙磁密的采样路径可得出不同路径上的气隙磁密轴向和径向分量；最后通过计算得出绕组涡流损耗值。之所以选择三维有限元仿真分析主要是因为该方法考虑了边缘效应，能够保证气隙磁密数值更加接近实际情况，通过对11kW无铁芯电枢盘式电机的涡流损耗计算，利用三维有限元法计算得到的数值为23.1W，这样与采取传统扁平矩形导线绕制的定子绕制涡流损耗（扁平矩形导线绕制的电机额定转速时的涡流损耗为2534W）要少得多，因此：使用利兹线绕制的无铁芯AFPM电机的定子电枢绕组可有效减少该电机的绕组涡流损耗，大幅度提高电机效率。

4 結束语

由于盘式电机具有结构紧凑，轴向尺寸短，可通过轴向级联来增加功率，易于制成无铁芯电枢结构以消除齿槽转矩及定子铁损，噪声小和效率高等优点，故而应用领域广泛。但是限于以前的工艺水平与永磁材料，盘式电机技术并未能得到推广发展，因此需要我们加大对无铁芯电枢盘式电机技术的研究，促进我国电机行业的不断发展。

参考文献

[1]王晓远，陈静，王平欣.电动汽车盘式轮毂永磁电机设计[J].沈阳工业大学学报，2012，5.

[2]曹永娟，黄允凯，金龙，等.磁极组合型轴向磁场无铁心永磁电机的设计与分析[J].中国电机工程学报，2014，2.

[3]赵汝彬，冯玲玲.盘式无铁心永磁同步发电机的设计[J].电机技术，2012，6.

[4]陈尔奎，赵龙涛，杨松，等.盘式永磁同步电动机的仿真研究[J].微电机，2013，10.