非晶合金軸向磁通永磁電機設計研究

林日成

摘 要：本文基于筆者的研究成果，首先對當前非晶合金軸向磁通永磁電機的應用問題進行了分析，然后基于設計要求對非晶合金軸向磁通永磁電機進行了重新設計。

關(guān)鍵詞：損耗構(gòu)成;軸向磁通;非晶合金

一、序言

伴隨著當前材料學的發(fā)展，越來越多的新型材料被應用到了永磁電機的設計與制造之中。非晶合金材料是一種新型材料，其在非晶合金軸向磁通永磁電機設計的研究過程中能夠充當定子鐵心，因為該種材料具有在高頻環(huán)境下對鐵心渦流損耗抑制明顯的特性。但同時材料本身有著薄、脆等特點，使之加工方式與傳統(tǒng)的硅鋼電機完全不同。本文對非晶合金軸向磁通永磁電機進行設計，對非晶合金材料在永磁電機中的應用進行進一步探索。

二、非晶合金軸向磁通永磁電機的應用問題

因為非晶合金材料本身薄且脆的特性，使得其磁性能受機械應力的影響較大，本身的飽和磁密度也較低。在設計的過程中要兼顧此類材料不宜沖壓的物理特性和特殊的電磁性能，所以相關(guān)非晶合金軸向磁通永磁電機在對非晶合金材料進行制造時取消了沖壓和切割等工序，最大程度的減少機械加工環(huán)節(jié)對非晶材料磁性能的影響。在設計方面，非晶合金軸向磁通永磁電機的問題主要分為四個方面：

首先是非晶定子鐵心的熱傳導問題，通常非晶定子鐵心的疊壓系數(shù)基本能夠達到0.9左右，但是根據(jù)非晶合金的物理性質(zhì)，使得單位體積內(nèi)的絕緣比例較大，進而降低了此類材料的熱傳導能力。特別是高頻電機損耗方面，因為此類材料的耗熱較快導致?lián)p耗較快，所以需要著重考慮非晶定子的冷卻和溫升問題。

其次是非晶定子鐵心的磁密度飽和問題，在加工的不同階段，非晶鐵芯的磁性能會受到各種頻率的影響。雖然與傳統(tǒng)的永磁電機材料相比，其收到的影響要小很多，但是因為非晶合金材料的飽和磁密度比傳統(tǒng)的硅鋼材料要低，所以需要將其設計在非晶合金材料接近飽和磁密位置，以此來控制定子的溫升和貼好，此類位置在高頻下可達到1.2～1.3T，50Hz的情況下可達到1.4～1.5T。

第三是磁通結(jié)構(gòu)引起的軸向磁拉力問題，此類問題主要是因為磁通結(jié)構(gòu)所引起的軸向磁拉力偏轉(zhuǎn)，如果不在設計上進行適應的選擇，就會造成相應的點擊破壞。所以非晶合金軸向磁通永磁電機主要在雙轉(zhuǎn)子單定子式、雙頂子單轉(zhuǎn)子式和多盤式三種結(jié)構(gòu)中進行選擇。

最后是軸向?qū)ΨQ度問題，軸向?qū)ΨQ度問題通常是由裝配精度不高所引發(fā)的，所以需要大幅度提高裝配的精度，進而規(guī)避這類因裝配工藝不精所導致的問題。

三、非晶合金軸向磁通永磁電機設計

1.設計要求

根據(jù)相關(guān)計算，筆者設計的非晶合金軸向磁通永磁電機以Torus結(jié)構(gòu)為主體，額定功率為7kW，額定電壓為380V，額定轉(zhuǎn)速為4000 r·min-1，其本身的效率>90%，相數(shù)為3，。采用定子開槽，繞結(jié)構(gòu)為繞組單尺，連接方式為雙側(cè)繞組串聯(lián)。

2.主要尺寸

在極槽配合方面，非晶合金材料高頻下對鐵心渦流損耗抑制作用明顯，但飽和磁密較低且對機械應力敏感，要求鐵心加工量越少越好，因此本設計選用分數(shù)槽繞組，并通過近極槽配合減小低次齒諧波，降低齒槽轉(zhuǎn)矩與諧波損耗，提高電機電磁性能。隨著極數(shù)增加，電機運行頻率升高，鐵心損耗增逐漸增大，但非晶合金材料在高頻下對鐵心渦流損耗抑制作用明顯。根據(jù)相關(guān)模擬，本次設計選擇12極18槽自作為本次電機設計的極槽配合。

在電機尺寸方面，定子外徑、內(nèi)徑與電機軸向長度是軸向磁通電機的三個主要尺寸，為充分利用銅與永磁體，定、轉(zhuǎn)子盤一般設計為相同徑向有效長度，外徑與軸向長度決定了電機體積，三者可大致確定鐵心材料用量。本次設計綜合考慮電機電磁性能與電磁負荷對定、轉(zhuǎn)子溫升的影響，最終確定電樞直徑比為1.70，此時電機外、內(nèi)徑尺寸分別為185mm和109mm。

在氣隙長度方面，根據(jù)相關(guān)的研究成果，研究人員發(fā)現(xiàn)氣隙長度對氣隙磁密、漏磁情況、齒槽轉(zhuǎn)矩與永磁體渦流損耗均有較大影響，氣隙長度越大永磁體用量也相應增加，成本波動較大，另外軸向磁通特殊結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生不平衡磁拉力，氣隙長度的設計還需考慮裝配要求，氣隙越小軸向磁拉力越大，對裝配精度要求越高，為保證電機運行可靠性、降低裝配難度，軸向磁通永磁電機氣隙長度設計應比徑向磁通結(jié)構(gòu)大。綜合考慮氣隙長度對空載氣隙磁密、齒槽轉(zhuǎn)矩、永磁體渦流損耗與電機成本的影響，本設計的氣隙長度2.5mm。

四、總結(jié)

總而言之，本文根據(jù)非晶合金軸向磁通永磁電機方向出發(fā)，對非晶合金軸向磁通永磁電機的極槽配合、電機尺寸和等氣隙長度四個方向進行了重新設計，讓其能夠滿足非晶合金軸向磁通永磁電機的生產(chǎn)要求。根據(jù)后續(xù)的仿真模擬實驗，筆者對本次設計的非晶合金軸向磁通永磁電機進行了運行模擬，發(fā)現(xiàn)本次設計的電機取得了預期的設計成果。

參考文獻：

[1]戴汕泓. 非晶合金軸向磁通混合勵磁電機的磁網(wǎng)絡建模和轉(zhuǎn)矩研究[D].沈陽工業(yè)大學，2019.

[2]朱龍飛，朱建國，佟文明，韓雪巖.軸向磁通非晶合金永磁電機空載鐵耗的解析計算方法[J].中國電機工程學報，2017，37（03）：923-931.