软磁复合材料在轴向磁场永磁风力发电机中的应用

    邓秋玲^1,2，黄守道²，许志伟¹，彭  磊¹

(1湖南工程学院，湖南湘潭411101；2湖南大学，湖南长沙4l0082)

    摘要：讨论了smc在直驱风能转换系统中的轴向磁场永磁(afpm)同步风力发电机设计中的应用。首先介绍了轴向磁场永磁电机的结构特点；然后介绍了smc材料的特性，讨沧了smc材料在永风力发电机设计巾的应用；最后使用有限元法将基于smc的afpm风力发电机与采用硅钢片定子铁心的afpm风力发电机进行了比较，证明了所提方案足可行的。

    关键词：轴向磁场；永磁电机；风力发电机；软磁组合件

    中图分类号：tm351    文献标识码：a    文章编号：1004—7018(2010)01—0021—03

0引  言

    用于低速直驱风能系统的径向磁场永磁同步发电机的外形是一个扁平的大圆盘，这种电机的定子内径大、转子尺寸和转动惯量也大。这对平抑风力起伏引起电动势的波动是有利的，但也对电机控制提出了更高的要求^[1]。另外，直驱式永磁同步发电机通常比传统发电机质量要大、经济性要差.为了在商业上更具竞争力，必须对低速大直径的发电机在成本、功率密度和效率等方面进行优化^[2]。

    众所周知，如果电机的极数足够多，轴向长度与外径的比率足够小时，轴向磁场电机比传统径向磁场电机在转矩和功率密度方面有较大的优势”。轴向磁场永磁电机还具有转动惯量小、定子绕组散热条件良好的优点，还可以做成多定子、多转子的多气隙结构，以提高输出功率。因此轴向永磁同步发电机适合应用于直驱风能转换的场合。

    轴向磁通电机的主要缺陷与定子铁心的制造有关。定子铁心是通过将硅钢片带料卷绕后再进行槽加工或将冲好槽的硅钢片带料卷绕而成。在槽加工过程中，会遇到叠片之间的短路问题，当绕制冲好槽的叠片带时，存在预先打孔的槽难以对齐的问题。用压制的软磁复合(以下简称smc)材料做成的铁心为上述难题提供一个解决的办法。

    近来，smc材料低频特性的改善使得它在电机设计应用中获得了广泛的兴趣。smc材料和粉末冶金挤压加工的独特优点是：它使复杂结构容易成形，克服传统的有槽叠片定子铁心制造中的一些缺陷。在硅钢片叠片铁心的电机中，在平面磁路中可获得良好的磁性能，它产生的是一个二维磁路，这限制了设计的可能性。在smc材料中绝缘的铁粒可以产生等方性的磁性能。因此，在磁极组件设计中可以获得三维磁路，为电机设计者提供了新的设计方法^[4]。

1轴向磁场电机的结构特点  

1.1轴向磁场电机存在的缺点 

    轴向磁场电机的磁场是轴向的，定、转子在电中对等放置，定、转子均为圆盘形，因此也称为盘式电机。定子铁心一般由双面绝缘的冷轧硅钢片带料冲制卷绕而成，在硅钢带上每隔一定距离冲出一个形状尺寸完全相同的槽，在保证对应槽一一对齐的条件下经卷绕便可形成端面带有下线槽的定子铁心。定子绕组有效导体在空间上呈径向分布。转子为高磁能积的永磁体，固定在圆盘形铁心上，轴向电机定子的铁心加工是电机制造的关键。

    在实际生产中，由于冲裁工艺的种种不足以及定子铁心本身结构的独特性，硅钢片的厚度极薄，为o．5～l.0 mm，因而在圆周自动成形上或多或少都存在着如下问题：对齐槽孔两边的硅钢片呈“喇叭口”张开状；铁心在卷绕成形中，在卷绕机刚度不足的情况下，往往出现压紧不实的现象；还存在预先打孔的槽难以对齐的问题。

1．2基于软磁复合材料(smc)的电枢铁心

    由于磁路几何结构，轴向磁场电机采用叠片技术制造铁心比较困难，两种方法”可以解决叠片铁心的困扰：一是采用实心体进行加工或采用印制的铁心；二是采用无铁心或近似无铁心的磁路结构。这两种方法的可行性都是建立在新材料的获取上：用软磁粉末复合材料通过加工处理进行三维定型或直接通过压制过程来制造定子铁心；采用高性能的永磁体和具有良好热性能和机械性能的塑性材料来减小或取消铁磁材料的使用。目前由于成本的原因，塑性材料很少作为电机的结构件来使用。只有在要求重量轻、效率高的塑性轴向磁场电机中得到了应用[5]。

    为了克服叠片铁心制造的困难，定子铁心采用smc实心圆柱体加工而成，如图l所示;在实心的圆柱体上开了许多槽用来安