盤式永磁電機(jī)

1、摘 要：介紹了輪用軸向磁場無鐵心無刷永磁盤式電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，探討了這種新電機(jī)的設(shè)計特點，重點解決了電機(jī)主要尺寸確定和磁路分析計算問題，最后給出了一種磁極形狀和線圈形狀的優(yōu)選方案。關(guān)鍵詞：軸向磁場；無鐵心；無刷；盤式電機(jī)1引言傳統(tǒng)永磁電機(jī)將繞組按一定規(guī)律嵌放在鐵心槽中。 這樣，電機(jī)運行時，由于齒槽 效應(yīng)，電磁轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生脈動。因此，人們研制了無槽式永磁電機(jī)，使轉(zhuǎn)矩脈動大 為改善。但是，由于鐵心的存在，轉(zhuǎn)動慣量大、響應(yīng)速度慢、換向性能不理想（繞 組電感較大）等問題依然存在，且軸向尺寸長，還嚴(yán)重限制了電機(jī)在多數(shù)具有薄 型安裝場合的應(yīng)用。為此，以壓縮軸向尺寸為目標(biāo)，改傳統(tǒng)電機(jī)中的徑向磁場結(jié) 構(gòu)為軸向磁場

2、結(jié)構(gòu)，無鐵心永磁盤式直流電動機(jī)得以研制。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單， 控制靈活，換向性能好，特別適合于薄型安裝場合，雖然在汽車、儀表、電動工 具、電動車輛驅(qū)動中有廣泛應(yīng)用，但仍然存在電刷維護(hù)與經(jīng)濟(jì)調(diào)速等問題。 在此 基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)零維護(hù)和調(diào)速控制，本文研究無鐵心無刷永磁盤式電機(jī)。 這類電 機(jī)在電力助動車驅(qū)動領(lǐng)域有廣泛需求及應(yīng)用前景。然而，作為一種新型微特電機(jī)，軸向磁場無鐵心無刷永磁盤式電機(jī)首先要解決設(shè) 計理論與方法問題，要盡量縮小與有鐵心電機(jī)繞組定位準(zhǔn)確和節(jié)省永磁材料等方 面的差距，充分展示獨有的技術(shù)特點和性能優(yōu)勢。這也是本文討論的重點。2基本結(jié)構(gòu)和原理為克服單邊磁拉力，減少漏磁，設(shè)計目標(biāo)擬定為雙轉(zhuǎn)子結(jié)

3、構(gòu)的軸向磁場無鐵心無 刷永磁盤式電機(jī)，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。雙轉(zhuǎn)子和單定子構(gòu)成雙氣隙；電樞無 槽無鐵心，由繞組注塑而成；轉(zhuǎn)子由高性能永磁材料與鋼板粘接。 主磁路從一個 極出發(fā)，軸向穿過氣隙和與之相對的另一極， 沿周向經(jīng)過轉(zhuǎn)子鑰，再穿過相鄰的 磁極和軸向氣隙，最后沿轉(zhuǎn)子軸部閉合，如圖2所示?？刂破鞲鶕?jù)位置傳感器檢 測的轉(zhuǎn)子位置信號，觸發(fā)相應(yīng)的電子開關(guān)元件，給電樞供電。徑向通電導(dǎo)體在軸 向磁場的作用下產(chǎn)生切向電磁力，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。分析表明，采用雙邊磁體結(jié)構(gòu)， 氣隙磁密比單邊磁體結(jié)構(gòu)高出10%左右，并且可改善極面下磁密分布的均勻性 1。即雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以更充分地利用永磁材料，這有利于提高電機(jī)性能、降低

4、 成本和縮小體積。此外，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時磁極具有風(fēng)扇作用，還有利于電機(jī)的散熱。圖1電機(jī),結(jié)構(gòu)示意圖圖2 主*尚示意圖3基本設(shè)計法則3. 1空載工作點的確定軸向磁場無鐵心無刷永磁盤式電機(jī)的氣隙較長，磁路一般不飽和，磁鑰中的磁位差可以忽略，同時亦可忽略電樞反應(yīng)，并視氣隙磁場計算面積與磁極截面積相等。對丁退磁曲線可近似線性化處理的永磁材料,氣隙磁通密度Ba可給出為：fih < £7 4->(1)式中Br永磁體剩磁密度r相對回復(fù)磁導(dǎo)率ia氣隙總長度hm-一磁體厚度°漏磁系數(shù)，定義為總磁通與氣隙主磁通之比3. 2基本電磁關(guān)系軸向磁場無鐵心無刷永磁盤式電機(jī)的電樞繞組是在極平面內(nèi)呈

5、均勻分布的?？疾鞂?dǎo)體微元dr,其位置可用半徑r和極角9描述，如圖3所示。記氣隙磁密基波 為Bmlsin (p9 )，機(jī)械角速度為Q,在微元中產(chǎn)生的電動勢為：圖3電動勢分析ii nin圖dr=n/?B1；sin（tf）rdr（2>由此可棉任一導(dǎo)體中電動勢的有效值為：但=皿此一。B" /T=小5 9=嘰（ 低）/ZT式中，Ba av是一個極距下的氣隙磁密平均值，它與 Bml的關(guān)系為Ba av = 2Bml /兀;Dmi和Dm奇別為磁極平均內(nèi)外徑；為每極氣隙磁通；f為頻率。設(shè)相繞組申聯(lián)總匝數(shù)為N,則相反電動勢為：E*=2NE* = 4, 44Nf中(4)與交流電機(jī)在正弦磁場分布情況下

6、的繞組相電動勢結(jié)論一致。設(shè)相電流為I,相數(shù)為m則電磁功率為：i K = J 2 日/960式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速（r /min） ； Amax為線負(fù)荷最大值（A/m ,取值在Dmi 處 Ama 2mNK> / （兀 Dmi）。3. 3磁極尺寸的確定當(dāng)外徑Dm剖最大電負(fù)荷Ama。定時，可以通過確定最佳直徑比（丫= DmO Dmi） 獲得盤式電機(jī)最大輸出功率。''口 一 “(6)上式對Y微分，可知當(dāng)時，Pem最大。2在實際設(shè)計時，直徑比的選擇還應(yīng)綜合考慮用銅量、效率、漏磁等因素。對丁小型電機(jī)一般選取1. 6左右在磁極內(nèi)外徑確定以后，關(guān)鍵的問題是如何選用永磁體厚度。分析表明， Hm

7、Bm 最大時，永磁體的利用最經(jīng)濟(jì)。進(jìn)一步可知 B" Br/2。對丁仗鐵硼永磁材料可 近似有p r p 0q p 0,而忽略漏磁時有BaBm則根據(jù)式（1）,可得理想情況 下，當(dāng)l a= hm時，永磁體可得以最經(jīng)濟(jì)利用。但設(shè)計中，綜合考慮，通常經(jīng)驗 選取l a < hm 4磁極和線圈設(shè)計4. 1極數(shù)和磁體間距當(dāng)磁體間距與極距呈比例時，較少的極數(shù)使極問距離增加，漏磁減少。但是對丁 一定的電樞導(dǎo)體數(shù)，極數(shù)少的電機(jī)端接部分較長，致使用銅量增加，電樞繞組銅 損耗加大，效率降低。因此，為提高效率，對轉(zhuǎn)速較低的軸向磁場無鐵心無刷永 磁盤式電機(jī)采用較多的極數(shù)，隨著轉(zhuǎn)速的增加可以適當(dāng)減少極數(shù)。需要

8、說明的是， 極數(shù)增多時，電子器件換向損耗會有所增加，但影響不顯著。綜合考慮以上因素， 設(shè)計時一般選為814極。電機(jī)極數(shù)和磁體尺寸確定后，增大磁體間距有利丁減少漏磁，但引起每極磁通量 降低，而磁通的降低乂會導(dǎo)致匝數(shù)和氣隙長度的增加。 從優(yōu)化設(shè)計角度考慮，選 取磁極厚度的1. 21. 8倍較為合適。4. 2磁極形狀和線圈形狀設(shè)計軸向磁場永磁盤式電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極大多米用扇形或圓柱形結(jié)構(gòu)。扇形磁極可以充分利用空間3,但不便加工；圓柱形磁極雖加工方便，但空間利用率低。為此， 我們希望找到一種磁極形狀，既便丁加工，乂能較充分利用空間。結(jié)果表明，圖 4實線所示的磁極形狀基本可以滿足這些要求。圖4眼根拊狀隊通方案

9、0倍1裁圈形狀優(yōu)逢方案相應(yīng)的線圈形狀如圖5所示，以滿足最薄型盤式電樞設(shè)計要求4。采用以上結(jié) 構(gòu)還具有以下優(yōu)點：(1) 相對扇形磁極，該磁極形狀可以更充分地利用永磁體。為保證電樞繞組在 磁極部分雙層無重疊，磁極內(nèi)外徑以外部分必須做成弧形， 以完全包圍磁極并盡 量減少用銅量，而這正好與磁極在內(nèi)外徑處的圓弧形狀相匹配。(2) 相對丁扇形線圈，該線圈結(jié)構(gòu)在外徑處無冗余，在內(nèi)徑處重疊相對較少， 并可實現(xiàn)雙層無交義均勻疊放。電樞盤加工方便，銅導(dǎo)線利用率高。采用以上結(jié)構(gòu)的電樞示意圖如圖 6所示。圖6段圈雙層無交又均勻點放示意明5結(jié)語根據(jù)分析結(jié)果，作者設(shè)計了一個軸向磁場無鐵心無刷永磁盤式電動機(jī)方案(電磁設(shè)計方案見表1,磁極尺寸示意圖如圖7所示)，并成功研制了多臺樣機(jī)，獲得 了令人滿意的試驗結(jié)果。在樣機(jī)制作中，為了進(jìn)一步減少漏磁，轉(zhuǎn)子采用鋁材制 作邊墻。線圈由酚醛塑料澆注成型。位置檢測采用直接漏磁通方法，即在臨近主 磁極下的電樞盤上安裝位置傳感器。實驗結(jié)果表明，漏磁場的靈敏度是足夠的。株向磁場無佚心無卑永龜動機(jī)電礎(chǔ)做計方*fe(3X2J感謝湖北三環(huán)集團(tuán)億州微特電機(jī)有限