潘秋萍，劉成成

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,鄭州 451460；2. 河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401)

0 引 言

近年來，軟磁復(fù)合材料(以下簡稱SMC)的研制、磁特性測量與模擬、以SMC設(shè)計(jì)新型電機(jī)已吸引了國內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注[1-5]。目前已有比較成熟的商業(yè)SMC產(chǎn)品和使用SMC制作的永磁電機(jī)。但SMC具有磁導(dǎo)率低、磁滯損耗大等缺點(diǎn)，除特殊應(yīng)用場合，SMC主要應(yīng)用于低成本的電機(jī)驅(qū)動(dòng)場合。

目前，SMC鐵心電機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)可以總結(jié)如下：1)設(shè)計(jì)具有三維磁通路徑電機(jī)，以發(fā)揮其磁各向同性的優(yōu)點(diǎn)；2)設(shè)計(jì)電機(jī)的額定工作頻率為300～500 Hz,以利用其渦流損耗低的優(yōu)點(diǎn)；3)設(shè)計(jì)電機(jī)為永磁電機(jī)，以彌補(bǔ)其磁導(dǎo)率低的缺點(diǎn)(永磁電機(jī)對軟磁材料的磁導(dǎo)率并不敏感)；4)使用鐵氧體作為永磁體材料，以降低永磁電機(jī)的材料成本[6-7]。

橫向磁通電機(jī)(以下簡稱TFM) 由于采用了全局繞組結(jié)構(gòu)，每匝繞組都能鉸鏈所有的磁極，其轉(zhuǎn)矩與其極對數(shù)成正比，轉(zhuǎn)矩密度高[9-10]。爪極電機(jī)是基于TFM的一種新型電機(jī)，其本質(zhì)是對TFM的定子齒部頂端位置進(jìn)行軸向延伸，使得其能引入更多的磁通，以提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力。

為克服爪極電機(jī)的使用場合限制性這一缺陷，本文提出了一種軸向磁通爪極電機(jī)(以下簡稱AFCPM)。該電機(jī)具有較高的性能價(jià)格比，較好的聚磁能力和較高的轉(zhuǎn)矩體積密度，既適用于低成本的家用電器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也適用于轉(zhuǎn)矩密度要求較高的高端家用電器電機(jī)驅(qū)動(dòng)場合。

1 AFCPM

AFCPM的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。本文采用表面貼永磁以減小軸向長度；采用定子外側(cè)軛部的寬度較內(nèi)側(cè)的寬度稍小的結(jié)構(gòu)，使得電機(jī)外定子軛爪連接處與內(nèi)定子軛爪連接處的磁通密度接近；為增強(qiáng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，設(shè)計(jì)定子爪極沿徑向的長度為沿電機(jī)的外徑減內(nèi)徑。采用注塑工藝以加強(qiáng)電機(jī)定子鐵心和繞組的結(jié)構(gòu)完整性，提高電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度，三個(gè)單相電機(jī)模塊在空間位置上彼此相差120°，構(gòu)成對稱三相電機(jī)。

圖1 AFCPM結(jié)構(gòu)示意圖

本文使用SMC來制造其定子鐵心，在AFCPM的轉(zhuǎn)子背鐵處同樣由SMC制作而成。在該電機(jī)的設(shè)計(jì)中所用SMC的型號為SOMALY 500TM，其鐵心密度7.32 g/cm3。 本文對使用不同永磁材料設(shè)計(jì)而成的AFCPM進(jìn)行了對比。所用稀土釹鐵硼永磁的具體牌號為N30M，而鐵氧體永磁的具體牌號為Y30。以傳統(tǒng)的SMC TFM作為標(biāo)準(zhǔn)，其所使用SMC的型號與密度和本文所用材料相同，永磁體采用了稀土釹鐵硼永磁N30M。TFM和AFCPM的外徑均為47 mm，總軸向長度為93 mm。且所有電機(jī)的額定電流密度也相等。表1為AFCPM的主要尺寸參數(shù)的具體數(shù)值。

表1 AFCPM的主要尺寸

2 工作原理

AFCPM與傳統(tǒng)徑向磁通爪極電機(jī)的工作原理相近，但仍存在區(qū)別，AFCPM的主磁通路徑是沿著電機(jī)的軸向方向，而徑向磁通爪極電機(jī)的主要磁通是沿著電機(jī)的徑向方向的。就單相電機(jī)模塊而言，AFCPM的磁力線的主要路徑：由永磁體N極開始，經(jīng)氣隙至定子爪極頂部后，經(jīng)爪極軛部連接處至定子的軛部，再由相鄰的定子的爪極軛部連接處至定子的爪極，經(jīng)過氣隙至轉(zhuǎn)子永磁體S極，最后通過轉(zhuǎn)子背鐵與永磁體N極形成閉合回路，如圖2所示。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，電樞繞組鉸鏈過的永磁磁鏈會(huì)由永磁磁鏈的正向最大，經(jīng)過零至反向最大，最終形成一個(gè)正弦的磁鏈波形，具體可參照徑向磁通爪極電機(jī)進(jìn)行理解[8]。每一個(gè)軸向磁通電機(jī)的模塊便是一相結(jié)構(gòu)，需要三個(gè)模塊相互錯(cuò)開120°電角度，以形成對稱的三相運(yùn)行。

圖2 AFCPM的主磁通路徑

3 電磁特性

本文使用了有限元軟件ANSYS，對AFCPM的磁場分布進(jìn)行分析并計(jì)算電磁特性。

3.1 磁通密度分布

圖3為AFCPM的空載磁通密度分布圖。由圖3可見，使用稀土釹鐵硼永磁設(shè)計(jì)的磁通密度最大值出現(xiàn)在電機(jī)定子的爪極與軛部的連接處(約為1.4 T)，已接近膝點(diǎn)磁密，它的轉(zhuǎn)子背鐵上的最大磁通密度為1.15 T；使用鐵氧體永磁設(shè)計(jì)的最高磁通密度為0.8 T，遠(yuǎn)高于鐵氧體永磁自身的剩余磁通密度(0.4 T)，同樣也位于電機(jī)定子的爪極和軛部的連接處。

圖3 AFCPM的空載磁通密度分布圖

3.2 電磁參數(shù)分析

圖4是AFCPM的每匝永磁磁鏈的波形圖。由圖4數(shù)據(jù)可知，鐵氧體永磁的永磁磁鏈峰值約為0.22 mWb，而釹鐵硼永磁的永磁磁鏈峰值磁鏈約為0.52 mWb，而且兩種電機(jī)的永磁磁鏈的波形均為正弦波。

圖4 AFCPM的每匝永磁磁鏈

圖5為AFCPM的反電動(dòng)勢隨著轉(zhuǎn)子位置變化的波形和反電動(dòng)勢的諧波頻譜分析圖。兩個(gè)電機(jī)的反電動(dòng)勢均有良好的正弦度，且均存在著較高的三次諧波。使用釹鐵硼永磁設(shè)計(jì)的AFCPM還含有五次諧波分量。

圖5 AFCPM的每匝相反電動(dòng)勢及其諧波頻譜分析

在永磁電機(jī)中，電感是一個(gè)非常重要的參數(shù)，本文在電感求解過程中使用了冰凍磁導(dǎo)率技術(shù)[11]。圖6為AFCPM隨轉(zhuǎn)子位置變化的電感波形圖。與鐵氧體永磁電機(jī)相比，釹鐵硼永磁電機(jī)的電感值較小，但轉(zhuǎn)子在不同位置時(shí)，主磁路上的磁通密度變化較大，所以其電感值的變化波動(dòng)也較大。

圖6 AFCPM隨轉(zhuǎn)子位置變化的電感波形圖

4 電磁分析

4.1 電機(jī)損耗分析

本文采用暫態(tài)損耗的計(jì)算法，可表示：

(1)

式中：kc,ke,Ce及β的具體數(shù)值均由使用悉尼科技大學(xué)的三維磁特性測量儀所得的結(jié)果進(jìn)行曲線擬合而得[12]。

在電機(jī)轉(zhuǎn)速1 800 r/min時(shí)，AFCPM和TFM鐵心損耗隨著電機(jī)的電負(fù)荷變化的曲線如圖7所示。由圖7可見，AFCPM和TFM的鐵心損耗均會(huì)隨著電流密度的增加而增加。當(dāng)電流密度等于0時(shí)，鐵氧體永磁設(shè)計(jì)的AFCPM的鐵心損耗最小。當(dāng)電流密度等于7 A/mm2時(shí)，使用鐵氧體永磁和釹鐵硼永磁設(shè)計(jì)的AFCPM的鐵心損耗相近，并遠(yuǎn)高于TFM的鐵心損耗。本文采用自然風(fēng)冷的冷卻方式，額定電流密度為6 A/mm2。

圖7 1 800 r/min時(shí)的AFCPM和TFM鐵心損耗比較

4.2 轉(zhuǎn)矩和效率

本文所設(shè)計(jì)的AFCPM中，因其磁阻轉(zhuǎn)矩較小，所以磁阻轉(zhuǎn)矩忽略不計(jì)。本文使用d軸電流為0的控制方式來計(jì)算電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。

圖8(a)為AFCPM的齒槽轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置變化的波形圖，圖8(b)是電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置變化的波形圖。釹鐵硼永磁電機(jī)與鐵氧體永磁電機(jī)相比，前者的齒槽轉(zhuǎn)矩及電磁轉(zhuǎn)矩的數(shù)值和波動(dòng)程度都遠(yuǎn)高于后者。

(a)

(b)

圖9是AFCPM和TFM在1 800 r/min時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩隨著電流密度變化的波形圖。當(dāng)電流密度從0增加到7A/mm2，輸出轉(zhuǎn)矩均為額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)(1 800 r/min)。由圖9可知，使用釹鐵硼永磁設(shè)計(jì)的AFCPM的轉(zhuǎn)矩最大，其次為使用釹鐵硼永磁設(shè)計(jì)TFM，最小的是使用鐵氧體永磁設(shè)計(jì)的AFCPM。

圖9 額定狀態(tài)下AFCPM和TFM的輸出轉(zhuǎn)矩隨電流密度變化波形圖

圖10為AFCPM和TFM的效率比較，使用釹鐵硼永磁體設(shè)計(jì)時(shí)兩種電機(jī)的效率大致相等，當(dāng)使用鐵氧體永磁設(shè)計(jì)時(shí)，AFCPM的效率較低。

圖10 AFCPM和TFM的效率比較(1 800 r/min)

4.3 材料價(jià)格及轉(zhuǎn)矩密度比較

表2是三種電機(jī)主要材料成本的比較，其中釹鐵硼永磁體設(shè)計(jì)的TFM的價(jià)格最高，其永磁材料的成本是電機(jī)成本的主要部分，約占總成本60%以上。由表3的主要性能比較中可知，使用鐵氧體永磁體設(shè)計(jì)的AFCPM的轉(zhuǎn)矩價(jià)格比最高，使用釹鐵硼永磁體設(shè)計(jì)的AFCPM效率最高，使用釹鐵硼永磁體設(shè)計(jì)的AFCPM轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比最高，這驗(yàn)證了AFCPM在高轉(zhuǎn)矩密度電機(jī)的設(shè)計(jì)方面也具有較大的優(yōu)勢。

表2 三種電機(jī)主要材料成本的價(jià)格比較

表3 三種電機(jī)性能比較

5 結(jié) 語

本文研究了一種新型AFCPM。選取性能較好的SMCTFM比對研究。最終研究結(jié)果表明，使用SMC制作的AFCPM的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢較為明顯，聚磁效果好；使用鐵氧體永磁體設(shè)計(jì)的AFCPM具有最高的性價(jià)比，使用釹鐵硼永磁體設(shè)計(jì)的AFCPM能夠輸出最高的轉(zhuǎn)矩密度，且也比TFM的性價(jià)比高很多。AFCPM既能夠用于低成本電機(jī)驅(qū)動(dòng)的家用電器電機(jī)驅(qū)動(dòng)場合，也適用于高轉(zhuǎn)矩密度電機(jī)驅(qū)動(dòng)場合。