轴向磁通的低成本盘式永磁发电机

    邓隐北，史谦东，王华

(河南森源电气股份有限公司，河南郑州一450016)

    摘要：文章提出了一种新型盘式电机结构，解决了轴向磁通永磁发电机的一些难题。该新结构中，采用的非铁磁材料支架，能克服作用于磁钢上的离心力，故可以提高转速以增大发电机的输出功率。新型设计的成本低，制造容易。由于这一新型结构的研制，推出了一种高速、低成本的轴向磁通永磁发电机。

    关键词：轴向磁通；无铁心；非铁磁材料支架；永磁发电机；磁钢

O 引言  

    定子无铁心的轴向磁通永磁(AFPM)电机，被认为是分散式发电的高效电机。在这种电机中，无铁心的定子避免了转子与定子之间磁钢和铁的直接吸引。因为无铁心损耗，这一设计型式的发电机比常规电机的运转效率自然就更高。此外，结构紧凑及盘式的外形，使得此类电机特别适合于与风轮机械组合，有利于在风力发电中的推广应用。

    利用轴向磁通结构的发电机几乎在150年以前就已开发，然而其应用却由于某些原因被局限于分马力级功率。一个主要问题是作用在磁钢上的离心力迫使磁钢移位，故AFPM发电机的转速受到限制，导致此类发电机的低速应用，例如与风轮机直联。过去，对AFPM发电机的额定转速曾分别定于200r/min和1950r/min，为增大功率输出依靠增加极数，相应增加到28极和40极。对极数较少的AFPM电机另一种实现所需高输出的方法是提高转速。较高的转速导致定子绕组中较高的感应电压。无铁心AFPM发电机通常具有小的电感值，因而电流的增加不会改变电机的性能，而较少磁钢数的优点是降低了发电机的成本。

    本文为求得AFPM电机的参数和性能，提出了一些必要的公式，然后设计了轴向磁通无铁心的三相永磁发电机。该发电机有两个外圆盘转子和位于转子之间的一个无铁心定子，磁钢采用稀土永磁钕铁硼(NdFeB)产生发电机所需的励磁。这些磁钢粘附在转子圆盘的两个内表面上。初步设计后，为了精密的研究，利用有限元(FEM)软件，分析电机的两维(2-D)模式。按照FEM的分析结果，一方面能计算电机的参数，另一方面可研究电机的原型(样机)试验程序。为了克服作用在电机磁钢上的离心力，设计并制造了一种非铁磁材料的支架，最后通过实验获得了电机的性能。期望借助非铁磁性支架，能以低的成本制成高速的AFPM发电机。高速驱动发电机时，能得到较高的输出功率。在给定的频率下，较高的转速归因于较少的磁极对数，磁极数的减少，当然就降低了造价。

1无铁心定子的轴向磁通永磁结构

    图l为AFPM电机的三维图形，配有两个外转子圆盘和转子之间的一个无铁心定子。如图所示，矩形的NdFeB高能磁钢粘附在两个转子圆盘的内表面。图l所示的轴径未按比例，仅说明AFPM电机的内径相对较大。

图2所示的转子磁极(N、S极性)交叉配置。圆盘的内半径和外半径分别表示为R_i和R_o。

图l电机的定子绕组无铁心，定子绕组表面与电机轴垂直。绕组的绕制有不同的方法。本研究中采用了三相的单层梯形绕组。以这一绕组形式，仅线卷的一边置于特定空间(或置于带铁心定子的槽中)。极对数12的电机一相线卷的典型布置如图3所示。另两相按第一相相隔±120。电角度进行布置。

2 等值电路

无铁心AFPM电机的每相等值电路如图4所示。在这一电路中，R_s、L_s、e_m、V_a和i_a分别

表示定子电阻、定子电感、气隙中永磁基波磁通匝链数产生的感应电势、基波的瞬时相电压和相电流。定子涡流损耗的等值电阻以R_e表示。

同步电感L_s由电枢反应电感L_a和总的漏电感L₁组成，L₁表示如下：

式中：L_1r、L_1d和L_1e分别表示径向漏电感、导体周圆径向的差漏电感以及端绕组的漏电感。与常规有槽的电机不同，无铁心或无槽的电机中漏电感和互感无明确定义，故以精确的公式表示L_1r、L_1d和L_1e和重要。

利用二维