趙海寧，于慎波

(沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870)

混合勵(lì)磁同步電機(jī)(Hybrid Excited Synchronous Machine，HESM)克服了永磁同步電機(jī)氣隙磁場調(diào)節(jié)困難的缺陷，結(jié)合了永磁同步電機(jī)和電勵(lì)磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可以在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)保持高效率，具有非常高的推廣應(yīng)用價(jià)值，是近年來廣泛研究的熱點(diǎn)[1-3]。為了突破傳統(tǒng)永磁電機(jī)僅能通過電樞電流矢量化控制實(shí)現(xiàn)弱磁或增磁調(diào)節(jié)方式及調(diào)節(jié)范圍的局限，各國學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究，提出了多種結(jié)構(gòu)形式的混合勵(lì)磁同步電機(jī)，主要有磁分路式、雙端勵(lì)磁型、爪極式、永磁-感應(yīng)子式和磁極分割型、勵(lì)磁機(jī)式等，各有特點(diǎn)，應(yīng)用范圍也不盡相同[4-5]。

磁極分割型HESM在2個(gè)獨(dú)立的定子鐵芯間設(shè)置勵(lì)磁繞組，通過定子機(jī)殼和轉(zhuǎn)子上的鐵芯磁極與永磁磁極共同勵(lì)磁，無附加氣隙，勵(lì)磁效率較高，且結(jié)構(gòu)相對簡單，更易實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)[6-7]。本文以1臺10 kVA磁極分割型混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為研究對象，對其進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和制造技術(shù)研究。電機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 10 kVA混合勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本數(shù)據(jù)

1 定子結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)

本電機(jī)將采用雙定子結(jié)構(gòu)，定子在軸向分兩段分別加工，通過軸向?qū)Т盘缀洼S向隔磁套在軸向進(jìn)行聯(lián)接，雙定子結(jié)構(gòu)聯(lián)接示意圖如圖1所示。

傳統(tǒng)的定子鐵芯軸向緊固方式有鉚接、螺桿緊固、扣片緊固和焊接4種，對于一些小型電機(jī)還可采用耐高溫膠體粘接的緊固方式，但又各有利弊。如操作不當(dāng)極易造成沖片間短路，將在很大程度上增大渦流損耗，導(dǎo)致定子鐵芯局部過熱，影響電機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性，因此要對定子沖片的軸向緊固方式進(jìn)行合理的選擇和設(shè)計(jì)。

圖1 雙定子結(jié)構(gòu)聯(lián)接示意圖

定子沖片采用0.5 mm厚的50W470冷軋無取向硅鋼片加工制成，定子沖片外圓留有燕尾結(jié)構(gòu)，用于嵌入定子機(jī)殼，在燕尾底部設(shè)置扣片槽，用于軸向定位，相應(yīng)位置配有記號槽；定子齒中部設(shè)有螺桿孔，配合扣片進(jìn)行軸向定位。定子沖片結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 定子沖片結(jié)構(gòu)

由于電機(jī)定子沖片為扇形片，單靠一種軸向緊固方式很難實(shí)現(xiàn)，電機(jī)將采用扣片緊固和螺桿緊固相結(jié)合的方式進(jìn)行緊固。為避免壓裝螺桿和扣片與線圈產(chǎn)生干涉同時(shí)方便線圈纏繞，在定子沖片端壓板相應(yīng)位置配制扣片槽和螺桿孔，并設(shè)有沉孔。為了保證沉孔后的端壓板具有足夠的強(qiáng)度，定子沖片端壓板選取10 mm厚鋁板，壓裝完畢的定子單元如圖3所示。

圖3 壓裝完畢的定子單元

定子機(jī)殼采用35號鋼制成，機(jī)殼內(nèi)圓配制嵌裝定子磁極的燕尾槽，機(jī)殼兩側(cè)分別配制聯(lián)接端蓋和定子導(dǎo)磁、隔磁構(gòu)件的止口和螺紋孔。電機(jī)的機(jī)座為大直徑薄壁件，切削加工中必然存在裝卡及找正困難，夾緊力過大將產(chǎn)生較大變形，夾緊力過小則容易移位甚至傾覆，因此必須制作專用的支撐調(diào)整架和卡箍，對機(jī)座進(jìn)行調(diào)整和固定，以保證切削的順利進(jìn)行。另外由于工件孔深，刀桿(機(jī)床滑枕)伸出過長，刀具振動(dòng)嚴(yán)重，如何保證工件表面粗糙度及形位精度也將是機(jī)座加工過程中所必須處理的一大問題[8-9]。

由于電機(jī)采用雙定子結(jié)構(gòu)形式，在兩定子間嵌繞直流勵(lì)磁繞組，電機(jī)兩側(cè)雖可通過端蓋結(jié)構(gòu)在徑向緊固，而中部確受空間所限難以實(shí)現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)，因此定子機(jī)座部分?jǐn)嗝鏋閼冶劢Y(jié)構(gòu)，如果兩定子間的聯(lián)結(jié)剛度不能保證，將很容易造成楔形氣隙，進(jìn)而影響電機(jī)的整體性能和運(yùn)行效果，因此必須進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)的整體聯(lián)結(jié)剛度。

電機(jī)將采用隔磁套和導(dǎo)磁套雙止口過渡配合，并在徑向以若干螺釘緊固的方法，保證雙定子結(jié)構(gòu)的聯(lián)接剛度。定子軸向隔磁套采用非導(dǎo)磁不銹鋼制成，中部開有放置勵(lì)磁線圈的凹槽，主要為聯(lián)接2個(gè)定子機(jī)殼，作為主要結(jié)構(gòu)件(如空間足夠，可將定子軸向?qū)Т盘自O(shè)計(jì)為分段環(huán)形結(jié)構(gòu)，以方便勵(lì)磁繞組的安裝及維護(hù))。定子軸向?qū)Т盘撞捎?5號鋼制成，兩側(cè)加工有與定子機(jī)殼配合的止口，定子機(jī)殼整體裝配完畢后，在兩側(cè)嵌入帶繞組的定子鐵芯單元，三維剖視如圖4所示。

圖4 定子裝配三維剖視圖

2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)

為降低加工成本，轉(zhuǎn)子支架也在軸向分段與定子對應(yīng)(分為兩段，每段長200 mm)，受磁路要求中部分別配制導(dǎo)磁構(gòu)件和隔磁構(gòu)件，聯(lián)接示意圖如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)子聯(lián)接示意圖

轉(zhuǎn)子支架采用導(dǎo)磁性能與機(jī)械性能較好的35號鋼制成，為減輕轉(zhuǎn)子重量，支架中部采用輻板結(jié)構(gòu)，并配制減重孔，支架外圓配制嵌裝轉(zhuǎn)子磁極的燕尾槽，支架一側(cè)配制聯(lián)接轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁構(gòu)件的止口和螺紋孔。為形成轉(zhuǎn)子軸向磁路，聯(lián)接分段的轉(zhuǎn)子支架設(shè)計(jì)軸向?qū)Т艠?gòu)件，采用導(dǎo)磁性能與機(jī)械性能較好的35號鋼制成，轉(zhuǎn)子支架與軸向?qū)Т艠?gòu)件聯(lián)接三維圖如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)子支架與軸向?qū)Т艠?gòu)件聯(lián)接三維圖

為限制轉(zhuǎn)子磁極端部漏磁并保證其在軸向定位，同時(shí)考慮成本因素，采用35號鋼制成的聯(lián)接套筒和非導(dǎo)磁不銹鋼制成的隔磁端板組合制成軸向隔磁構(gòu)件，以螺釘在軸向緊固，轉(zhuǎn)子支架裝配三維圖如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)子支架裝配三維圖

轉(zhuǎn)子沖片亦采用0.5 mm厚的50W470冷軋無取向硅鋼片加工制成，轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)圓留有燕尾結(jié)構(gòu)，用于嵌入轉(zhuǎn)子支架，在燕尾底部開有記號槽。永磁極轉(zhuǎn)子沖片中部開有永磁體槽，為限制漏磁設(shè)計(jì)了隔磁結(jié)構(gòu)；鐵磁極中部對應(yīng)位置開有螺桿孔，用于疊裝時(shí)進(jìn)行軸向拉緊。轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)如圖8所示。

(a)永磁極轉(zhuǎn)子沖片(b)鐵磁極轉(zhuǎn)子沖片圖8 轉(zhuǎn)子沖片圖

為減少轉(zhuǎn)子永磁極與鐵磁極間軸向形成漏磁，設(shè)計(jì)由10 mm厚鋁板加工制成隔磁擋板，相應(yīng)位置設(shè)有螺桿孔，組裝完畢的轉(zhuǎn)子如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)子總裝三維圖

3 樣機(jī)制造

定子鐵芯壓裝方式的選擇、壓裝精度的保證將直接影響電機(jī)整體的生產(chǎn)周期和質(zhì)量。如采用內(nèi)壓裝則需要保證沖片尺寸公差，以防止定子槽口處產(chǎn)生交疊錯(cuò)位；如采用外壓裝，除必須保證疊片整齊一致外還需要制作專用疊片工裝[10-12]。

本電機(jī)為了實(shí)現(xiàn)定子槽閉口而采用扇形定子沖片，而為了實(shí)現(xiàn)閉口，只能嵌入繞組之后再裝入定子，因此只能采用外壓裝，并且設(shè)計(jì)制作專用的疊片工裝以保證壓裝精度。定子沖片疊裝及繞組纏制完畢的定子單元如圖10所示，全部定子單元嵌入機(jī)殼并進(jìn)行端部聯(lián)接及綁扎，定子總裝圖如圖11所示。

圖10 定子沖片疊裝及繞組纏制

圖11 定子總裝圖

轉(zhuǎn)子鐵芯的疊裝直接在裝配完畢的轉(zhuǎn)子支架上進(jìn)行，為方便疊裝展開，設(shè)計(jì)了支架延長及鐵芯拉緊工裝，裝配完畢的轉(zhuǎn)子及整個(gè)電機(jī)如圖12、圖13所示。

圖12 轉(zhuǎn)子總裝圖

圖13 電機(jī)總裝圖

4 結(jié)語

定轉(zhuǎn)子模塊化設(shè)計(jì)可以有效提高定轉(zhuǎn)子沖片的材料利用率，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)簡化繞組纏繞工藝，縮短制造周期，可以輕松實(shí)現(xiàn)近乎閉口槽的設(shè)計(jì)效果，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)模塊化互換，在產(chǎn)品維修時(shí)的優(yōu)勢更為明顯。本文結(jié)合三維設(shè)計(jì)，完成了樣機(jī)的制造和裝配，為同類電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造提供了參考。