一種新型無鐵芯電樞盤式電機的設計與分析

解祖品

摘 要：盤式電機是一種氣隙為平面、磁場為軸向的電機，盤式電機具有結構緊密的特點，其能夠降低無效功耗的產生以及易于制成無鐵芯電樞結構，因此其在實踐中具有廣泛的應用價值。

關鍵詞：無鐵芯；盤式；電機；設計；測試

引言

電機在運行過程中，由于受到內部結構等因素的限制使得電機在運行過程中產生了能耗，這些能耗的產生會大大降低電機的運行效率，而且還會導致電機運行期間的溫度過熱，進而影響電機的使用壽命，而設計一種無鐵芯電樞盤式電機則可以大大降低上述的缺陷，提高了電機的運行效率。

1 設計無鐵芯電樞盤式電機的動機

之所以選擇設計無鐵芯電樞盤式電機是相對于傳統電機運行所存在的缺陷而言的，電機在運行過程中所產生的熱能會影響到電機的運行效率，傳統的電機散熱主要是依靠電機外殼與外界介質之間的對流換熱實現的，而盤式電機主要是靠電機的兩端進行散熱，這樣就會導致盤式電機的散熱條件比較差。同時盤式電機由于其內部空間比較小，而且封閉性比價強，這樣就會導致盤式電機的運行效率、輸出功率等大大受到影響，因此基于電機內部損耗的需求，需要設計一種新的無鐵芯電樞繞組結構的盤式電機，以此提高電機功率緊密的目的。

2 新型無鐵芯電樞盤式電機的設計

從當前電機的結構形式分析入手，永磁盤式電機即可以設計成鐵芯結構的也可以設計成無鐵芯結構的，由于無鐵芯永磁盤式電機的工作氣隙比較大，如果設計成單邊結構的則有存在很大的單邊磁拉力的現象，因此文章設計的電機結構為無鐵芯的、雙邊永磁轉子結構。該電機是一種11kW的永磁無鐵芯盤式電機，其最高工作溫度為100攝氏度，其選擇釹鐵硼永磁材料，最高的工作溫度為180攝氏度。

2.1 電樞繞組損耗產生的機理與元件導線的選取

在電機設計結構中，假設在零磁場中，電流電通過導體，電流就會在導體截面上均勻的分布，其產生的損耗為直流損耗，但是如果電流通過一定導體時電流就會產生領近效應以及渦流，這樣就會導致銅損的增大，因此電樞繞組中的損耗主要是受到臨近效應的銅損所引起的：一是銅損。銅損的產生主要是受到集膚效應與鄰近效應的影響而產生的，因此在設計電機時需要充分考慮這些因素；二是渦流損耗。渦流就是導體在非均勻磁場中移動時，在導體內部形成的閉合電路路徑，一般而言尺寸比較大的導體在交變的磁場中都會產生感應電動勢，這就是渦流，可以說電機內的渦流損耗不僅會降低電機的工作效率，而且還會造成電機局部的溫度過高，因此對于無鐵芯電機，為減少渦流損耗，我們將其設計為由許多鐵磁材料薄片疊成的結構。而文章設計的電機為無鐵芯永磁盤式電機，這樣就會減少鐵芯渦流的損耗，提高電機的工作效率。

2.2 利茲線電樞繞組設計

無鐵芯永磁盤式電機的損耗與元件導線參數有著密切的聯系，因此選擇一種新型的導線代替原來電機銅線導體時降低定子電樞繞組損耗的有效途徑。利茲線是德國產品，其采取的是多跟絕緣漆包細導線相互編制而成的絞合線，其能夠降低集膚效應、鄰近效應所產生的渦流損耗，雖然其在我國功率型電機設計中應用比較少，但是在某些行業卻具有廣泛的應用價值。電機的設計關鍵技術就是無鐵芯永磁盤式電機電樞的制造，因此對電機的設計而言，電樞繞組的設計與計算尤為關鍵。根據文章電機設計的要求，文章設計的電機選擇利茲線繞制電樞繞組，繞組設計為3相Y接法的單層波繞組，無鐵芯布放，導通方式為3相2狀態120。導通，額定電流為22A。首先應該選擇直徑為1.3mm的利茲線，由55根直徑為0.13mm熱風自粘細絕緣漆包線編制而成。然后在進行元件的成型設計，一般線圈匝數為40匝。在完成所有步驟之后，便可以進行電樞繞組盤的制作，最后在利用環氧樹脂對繞組盤進行密封固定，然后進行加工到位。

2.3 11kW利茲線電樞無鐵芯盤式電機的總體設計

通過對上述設計步驟的分析與討論，11kW利茲線無忒心盤式電機的設計參數主要是：電機的設計額定功率為11kW、額定電壓為530V、額定電流為22A、額定效率為0.92η、極對數為8對、元件匝數為40w1、電樞內外半徑分為為128、222mm。電機的基本結構如圖1所示。

3 無鐵芯電樞盤式電機的損耗計算

無論哪種電機在運行中都會產生損耗，這些損耗有很大一部分會轉化為熱能，從而會導致電機局部溫度的過熱，最終會影響電機的使用壽命和工作效率，雖然文章設計的利茲線電樞繞組能夠有效的擬制渦流損耗，但是通過對電機損耗的計算對提高功率型無鐵芯永磁盤式電機的工作效率具有重要的參考意義。通過前面所述我們知道電機在運行過程中產生的損耗既包括渦流損耗、銅損還包括轉子的鐵損、機械損耗以及附加損耗等等。由于電機特殊的內部結構，因此文章選擇分段式三維磁場有限元法，以此計算分析無鐵芯盤式電機的渦流損耗。在進行無鐵芯電樞盤式渦流損耗時，首先需要進行假設：一是假設利茲線每股之前保持平衡的分布；二是由于單根利茲線的直徑比較小，對單根利茲線內的損耗計算我們要進行相同的處理，以此計算利茲線的總體渦流損耗。

分段式三維磁場有限元法的計算：首先要建立三維無鐵芯電機的八分之一模型，然后應用有限元法對靜磁場進行分析，以此得出氣隙磁密的三維分布，然后在氣隙空間內設置磁密采樣路徑；然后在對這些氣隙進行分段，具體分為N段，每段設置為K層采樣路徑，通過K×N個氣隙磁密的采樣路徑可得出不同路徑上的氣隙磁密軸向和徑向分量；最后通過計算得出繞組渦流損耗值。之所以選擇三維有限元仿真分析主要是因為該方法考慮了邊緣效應，能夠保證氣隙磁密數值更加接近實際情況，通過對11kW無鐵芯電樞盤式電機的渦流損耗計算，利用三維有限元法計算得到的數值為23.1W，這樣與采取傳統扁平矩形導線繞制的定子繞制渦流損耗（扁平矩形導線繞制的電機額定轉速時的渦流損耗為2534W）要少得多，因此：使用利茲線繞制的無鐵芯AFPM電機的定子電樞繞組可有效減少該電機的繞組渦流損耗，大幅度提高電機效率。

4 結束語

由于盤式電機具有結構緊湊，軸向尺寸短，可通過軸向級聯來增加功率，易于制成無鐵芯電樞結構以消除齒槽轉矩及定子鐵損，噪聲小和效率高等優點，故而應用領域廣泛。但是限于以前的工藝水平與永磁材料，盤式電機技術并未能得到推廣發展，因此需要我們加大對無鐵芯電樞盤式電機技術的研究，促進我國電機行業的不斷發展。

參考文獻

[1]王曉遠，陳靜，王平欣.電動汽車盤式輪轂永磁電機設計[J].沈陽工業大學學報，2012，5.

[2]曹永娟，黃允凱，金龍，等.磁極組合型軸向磁場無鐵心永磁電機的設計與分析[J].中國電機工程學報，2014，2.

[3]趙汝彬，馮玲玲.盤式無鐵心永磁同步發電機的設計[J].電機技術，2012，6.

[4]陳爾奎，趙龍濤，楊松，等.盤式永磁同步電動機的仿真研究[J].微電機，2013，10.