锥形转子永磁电机轴向磁拉力和转矩参数分析
刘伟亮，柴凤，程树康
（哈尔滨工业大学哈尔滨150001）
摘要：介绍r-种采用永磁式转子的锥形电机，给出了这类电机的模型，分析了其结构特点以及不同转子位置下的轴向磁拉力和转矩的变化情况，并建立电机的三维有限元模型进行了仿真计算，得出转子的轴向磁拉力和转矩与转子的轴向位移之间的关系，最后转矩参数的变化规律通过实验得到了验证。
关键词：锥形转子永磁电机；三维有限元；轴向磁拉力；转矩
中图分类号：tm351 文献标志码：a 文章编号：1001-6848（2010）06-0007-02
0引 言
锥形转子电机中多采用鼠笼式转子，由于定子内圆及气隙呈锥形，气隙磁场对转子作用直接导致轴向磁拉力的存在，利用这种特点这种电机多用于起重等要求能够快速制动的场合。采用永磁式转子后，随着转子与定子之间的位移不同，气隙长度随之币同。利用气隙长度的变化，可以很容易的改变电机的气隙磁场，从而达到调节励磁的作用，因而有望应用于弱磁扩速场合；此外，考虑到气隙长度变大时，电机定转矩减小，因此这种类型电机也可用于要求微风启动的风力发电场合。
本文对锥形转子永磁电机的轴向磁拉力及其转矩特性进行分析，研究其变化规律。
1锥形转子永磁电机轴向磁拉力和转矩的数学模型
如图1所示为锥形转子永磁电机结构示意图。定子内圆呈锥形，转子上布置有永磁体。转子与定子对齐时，气隙最小，如图中所示位置1；转子脱出定子的距离为m时，如图中所示位置2，气隙长度随之增大，在定子电流不变的条件下，气隙磁场会随着m的增大而变小，因此轴向磁拉力与转矩参数都会变化。
忽略非线性以及饱和因素的影响，近似认为永磁体审储存的磁能在转子位移前后不变，气隙中的磁能为既=丢,,bhdy，其中以表示气隙区域。
如图l中所示，转子与定子对齐时（位置1），气隙长度为氏，并θ有
困此磁能可表示为下式，
其中，
根据虚功原理，转子所受的轴向磁拉力和转矩可由磁能计算如下，
可见，随着转子所处位置的不同，转子所受的轴向磁拉力与转子的轴向位移成线性关系，随着轴向位移的变化，轴向磁拉力线性减小，而转矩可能会出现极值，出现极值与否则取决于式(4)中的系数。
2锥形转子永磁电机的有限元分析
转子处于不同位置下的轴向磁拉力和转矩可通过有限元方法计算得到。为了减少计算量，在电机端部空气区域采用远场单元来模拟外边界的自然边界条件[2-5]。所建立的三维有限元计算区域如图2所示，图中只示出定转子区域。
转子处于一定的位置时，在不同的交直轴电流作用下，轴向磁拉力会随着气隙磁场的变化而变化。如图3所示，直轴电流为增磁性质时(i>o)，直轴电流越大，气隙磁场越强，因而轴向磁拉力越大；直轴电流为丢磁性质时的情况则相反。交轴电流增大时，由于交轴磁路饱和的影响，轴向磁拉力略为减小。
同时，由图3可知，一定的电流作用下，轴向磁拉力随着转子轴向位移的增大而减小。
在定子绕组施加5a电流激励下，1800电角度范围内的转矩变化情况如图4所示。
由图4中可知，在转子转角一定的条件下随着转子轴向位置的 |
