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李鑫，林明耀
（东南大学电气工程学院）
摘要：介绍了一种新型轴向磁场磁通切换型永磁电机，该电机由两个外定子和一个内转子组成，定转子为双凸极结构。电枢绕组和永磁体均设置在定子上，转子由硅钢片径向叠压的齿嵌在非导磁环上构成，切向磁化的永磁体建立电机的轴向磁场。该文以一台10/12极样机为例，运用三维有限元法(FEM)分析了电机的空载磁场，给出了电机内的磁场分布。分析结果为该种电机的设计奠定了基础。
关键词：轴向磁场；磁通切换；永磁电机；三维有限元；电磁场
中圈分类号：TM351 文献标志码：A 文章编号：1001-6848( 2010) 07-0029-03
O引 言
世界上第一台电机是轴向磁场盘式永磁电机，限于当时的材料和工艺水平，盘式永磁电机未能得到进一步的发展。随着永磁材料性能的不断提高和完善以及电力电子器件的发展，盘式永磁电机重新得到重视和发展。盘式永磁电机以其优良的性能和较短的轴向尺寸，已广泛应用于机器人、计算机外设、电动汽车、航天工程和风力发电等。传统的盘式永磁电机都是将永磁体安装在转子上，为克服运转时的离心力，通常需要特殊的加固装置，该装置还会引起永磁体散热困难，而温升可能导致永磁体产生不可逆退磁、降低电机出力和减小功率密度等。
本文介绍丁一种永磁体置于定子的新型轴向磁场磁通切换型永磁( AFFSPM)电机。AFFSPM电机继承了磁通切换型( FSPM)电机的结构特点，即定转子为双凸极结构，定子采用集中绕组，永磁体嵌在定共轭部，转子上既无绕组也无永磁体，结构简单。中间转子结构，使得该电机拥有良好的散热条件。
AFFSPM电机综合了AFPM电机和FSPM电机的优点，轴向尺寸短，且功率密度和效率高，因而，AFFSPM电机具有良好的应用前景。AFFSPM电机的磁场呈三维分布，本文在介绍电机结构的基础上，以一台10/12极样机为例，运用三维有限元法( FEM)分析该电机的磁场，给出电机内的磁场分布，为该种电机的设计和进一步研究奠定基础。
1 AFFSPM电机的结构
图1为一台三相12/10极AFFSPM电机的展开图，该电机由两个定子和一个转子组成。每一个定子由12个“U”型铁芯、12块永磁体和12个线圈构成，“U”型铁芯和永磁体交替放置构成圆盘，两侧定子相对称的永磁体励磁方向相反；每个定子上的12个线圈分成三相，每4个线圈串联构成一相，每个线圈绕在两个相邻不同的“U”型铁芯的齿上，中间嵌入永磁体，永磁体沿着切充磁。转子共有10个齿，称为10个极，均匀设置在转子非导磁圆环的外圆周上。
永磁体和电枢绕组均放置在定子上，转子上既无永磁体又无绕组，结构简单。定子绕组采用集中绕组，缩短了端部连接，减小了铜耗。中间转子的结构，使得该电机拥有良好的散热条件。
2 AFFSPM电机磁场计算与分析
在有限元分析前，作如下假设：电机磁场是稳态场，永磁体是被均匀磁化的，视绕组的磁特性与空气相同，磁力线沿电机外表面闭合。在AFFSPM电机内部，磁位矢量满足下列方程
式中，J为电流密度矢量，v为磁导率，s为电机的全部表面。
AFFSPM电机磁场呈现典型的三维分布，本文采用有限元软件ANSYS对AFFSPM电机进行磁场分析。由于定子采用集中绕组，不能像传统电机一样只建立一个极的有限元棋型，必须建立几个极或整个电机的有限元模型。为简化边界条件，建立AFF-SPM电机的完整模型，如图2所示，边界条件均为一类齐次边界。定转子采用六面体单元进行剖分，气隙用四面体单元剖分，网格的大小由程序控制，总共约2 x 105个单元。
图4是图3中永磁磁场气隙磁密在气隙上半圆周的分布波形，计算气隙磁密路径如图3中由A、B两点确定的弧线，A、B两点分别对应着图4中的横坐标0度和180度。由图4可见，波形中第一个正向****值出现在气隙圆周90度稍后，对应着图中定子齿1和转子齿1重合的区域，此时绕在定子齿l上线圈的永磁磁通极性为正，而第二个正向****值出现在气隙圆周180度之前，对应着定子齿2和转子齿2重合的区域。
采用同样的方法可以分析转子逆时针旋转18度的情况，如图5所示，其对应的磁场分布为图6，计算气隙磁密的路径保持不变，由图6可以看出，波形中第一个负向****值出现在气隙圆周O度稍后，对应着图5中定子齿4和转子齿4重合的区域，而第二个负向****值出现在气隙圆周90度之前，对应着图5中定子齿3和转子齿3重合的区域，此时绕在定子齿3上线圈（与绕在定子齿1上的是同一个线圈）的永磁磁通的极性为负，即实现了线圈绕组磁通极性的切换。
AFFSPM电机磁场呈三维分布，形成以下磁路，如图8中虚线所示：从永磁体N极出发，经定子1的轭、齿，穿过气隙1、转子齿和气隙2，经定子2的齿、轭和另一侧的永磁体，再经过定子2的轭、齿，再穿过气隙2、转子齿和气隙1，经定子l的齿、轭回到永磁体的s极。由于存在聚磁效应，AF．FSPM电机的气隙磁密远高于传统盘式永磁电机。图4、图7为气隙上半圆周的永磋磁密分布，从这三幅图中可看出气隙磁密分布与半径有关，不同半径处的气隙磁密的幅值略有不同，但沿圆周分布的波形相似。AFFSPM电机为双凸极结构，气隙磁密沿圆周分布的波形与FSPM电机相似，与传统盘式永磁同步电机相差较大。
3结论
本文介绍了一种新型轴向磁场磁通切换型永磁 ( AFFSPM)电机，运用三维有限元法分析了电机的空载磁场分布，分析结果表明：电机磁场呈现典型的三维分布，气隙磁密分布与半径有关，不同半径处气隙磁密的幅值略有不同，但沿圆周分布的波形相似。所得结果为AFFSPM电机的设计和进一步研究奠定了基础。AFFSPM电机综合了AFPM电机和FSPM电机的优点，既具有较短的轴向尺寸，又具有较高的功率密度和效率，有很好的应用前景。
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