轴径向磁通永磁同步电机的研究

    郭农生，沈琳

(国营北京曙光电机厂，北京100028)

    摘要：又章提出了一种新型结构的具有折叠绕组的轴径向磁通水磁同步电机，介绍了其结构原理，确定了设计方案，并对有限元计算结果进行r比较分析。计算结果表明该结构电机在较大外径和功率需求下，可以更大的提高电机功率密度。

    关键词：轴径向磁通永磁同步电机：折箍绕组；功率密度

O引言

    目前，常用永磁电机的结构按磁通穿过气隙时的走向分为径向磁通圆柱式永磁电机和轴向磁通盘式永磁电机^[1]。但是在某些情况F电机的结构还不够紧凑，不能更有效提高功率密度。例如，对于径向磁通圆柱式永磁电机，当电机长径比较小时，绕组端部长度占电机轴向长度的比例较大，并且槽底到轴间的很大一部分空间没被利用；而对于轴向磁通盘式永磁电机，在铁心内径和外径都有很大一部分空间浪费在端部绕组上。尽管人们采取r各种措施缩短端部K度，如集中绕组、链式绕组、短距绕组、提高嵌线工艺等，但效果并不十分理想。

    针对这种现象，本文提出一种新型结构的轴径向磁通永磁同步电机，该电机采用折叠式绕组，将两个轴向磁通盘式永磁电机与圆柱式永磁电机结合在一起，这种结构电机具有端部短和嵌线方便等优点，并充分利用了空间，提高了功率密度。有限元计算结果验证了该结构及其设计方案的可行性。

1结构原理

    具有折叠绕组的轴径向磁通永磁同步电机可以看成是将圆柱式永磁同步电机的轴向两端各取一段，分别沿圆周向轴心折叠而成的，其结构示意图如图1所示。定子由一套三相对称的折叠    绕组、三组硅钢片、套筒和挡板组成，如图2所示。径向分电机铁心是由硅钢片在套筒上沿轴向叠加而成，其外圆表面开有多个轴向槽；两侧的轴向分电机铁心是由硅钢

片卷绕而成，铁心的一个侧面分别用螺钉固定在两个圆环形挡板上，另外两侧端面上分别开有多个径向槽，萁开口中心线围绕着轴呈放射线状均匀排列。该电机轴向槽与定子铁心两侧端面的径向槽一一对应，每个对应槽内共唰设置有折叠绕组的一个元件边。套筒及其两侧的两个挡板由六个螺栓连接到一起，固定在不动轴上。转子由转子铁心、轴向永磁体和径向永磁体组成。转子铁心内圆壁面上均布有多个径向充磁的永磁体，转予铁心两内侧端面t的永磁体轴向充磁，围绕着轴呈放射线状均匀排列。为了使轴向和径向部分协调运行，需要保证每组轴向槽和径向槽中心线对齐，并且每组轴径向永磁体中心线也一致。

    由于此轴径向电机是由径向电机演变而来，所以还是通过一个独立的驱动单元输出功率。定子绕组以星形接法连接后，通过轴的出线孔与外部三相正弦交流电源相连接。当定子绕组通以三相交流电时，在电机的径向气隙和两端的轴向气隙中分别产生一个转速相同的旋转磁场，三者共同拖动转子同向同速旋转，转子的铁心外壳作为旋转动力输出端。

3设计方案的确定

    为简化电机分析，将轴径向电机可以分解为在结构上和磁路上完全独立的三个电机，这三个电机具有相同的电流、相同的转速和绕组分布，而两个盘式电机完全相同，只需要分析一个即可。设计流程图如图3所示。

 

   

    由于不知道轴向分电机和径向分电机如何进行功率分配，所以先设计一台满足功率要求的径向磁通外转子电机(折叠绕组较适合外转予结构)。得到径向电机尺寸后，再根据套筒所需最小厚度，确定出轴向电机的基本尺寸。根据径向磁通永磁同步电机电磁功率计算公式(1)可知，电枢直径和电磁负荷不变时，电磁功率与电机轴向长度成正比^[2]，从而可确定出径向分电机的铁心长度。

根据上述流程设计了一台轴径向磁通永磁同步屯机，主要参数如表1所示。

4有限元分析

    轴径向电机三维模型和有限元计算结果如图4所示。由图可以看出，由于三维有限元软件对轴径向电机整体仿真时，耗费时间较长并且网格剖分不能十分精细，从而计算结果不是

很准确。考虑到轴向电机较轴径向电机结构简单、体积小，故径向电机采用二维有限元软件进行单独分析，而轴向电机使用三维有限元软件进行分析，这样而计算结果相对比较精确。有限元模型和计算结果如图5和图6所示。

将分电机单独设计与轴径向电机整体设计时的计算结果进行比较，比较结果如表2所示。

由表2可以看出，轴径向电机分开设计与整体设计相比，空载反电势和平均转矩误差很小，

达到了很好的一致性，而齿槽转矩和电磁转矩峰峰值误差却很大，这是由于轴径向电机结构复杂，并且采用网格剖分比较粗糙的三维场进行计算，从而给计算结果带来较大误差。因此，在以后的优化设计过程中可以采用单独设计的方法，即能节约计算时间，又可得到更加精确的仿真结果。

5电机性能分析

5 .1普通电机性能对比

    本文采用轴径向电机设计之前的那个符合技术要求的径向电机作为比较对象，两台电机功率和外径相同。表3给出了轴径向电机与普通径向外转子电机主要尺寸参数对比。经过计算可知，轴径向电机功率密度是普通径向外转子电机的1.38倍。因此可以说，轴径向电机充分体现了功率密度大的优势。

5.2技术指标的分析与改进

    表3中所列出的样机设计参数仅仅是满足技术要求，实际上其输出功率还没有得到****的开发。首先，在上述参数中，套筒与轴连接部分厚度为38mm，而这部分并不需要这么厚；其次，根据盘式永磁电机电磁关系可知，当电机的外径固定时，保持****电负荷不变，当其内外径比值为i√3时功率****，而现在内外径之比为1：1.4，显然未到****比值。

    为了更加充分利用径向电机内的空间，可以减少径向分电机功率，即增大轴向分电机的功率。由式(2)可以初步确定转轴直径d的大小^[2]。

式中：TN——额定转矩，这里为31.83N.m；ι_t—转轴材料允许应力(N/mm²)。

    对于45^#轴钢，ι^t=70.63N／mm²，从而可以得出转轴直径约为38．33mm。为了满足定子线圈端部伸出长度及绝缘距离的要求，定子内径与转轴间要留有足够距离，因此电机内径不小于90mm。按照轴向电机被充分利用来计算，内径为90mm时，外径为156mm，因此，只要外径大于156mm，轴向分电机即能够得到****功率密度。这里取轴向分电机内外径尺寸分别为90mm和156mm。

     由轴向磁通永磁同步电机电磁功率计算公式(3)可知，在电磁负荷不变时电磁功率只与其内外径尺寸有关_[3]，这样将内外径尺寸90 mm、126 mm和90 mm、156 mm分别代入，即能算出外径为156 mm时轴向电机的功率7．888 kW。

式中：D_iA、D_oA——分别为盘式电机的电枢内径和外径；A_max——最小半径处的线负荷(Am)。

    此时，径向电机功率为2．112kW。用前面所述方法可得到径向电机内外径分别为172mm和246mm。此时，虽然轴向电机得到了****利用，但是径向分电机轴向长度仅为27.5mm，挡板的空间不够。由于轴向电机功率与内外径成正比，所以如果按原设计指标要求，轴向电机就无法被充分利用。

    如果指标要求更高的功率，那么轴向分电机和径向分电机就都能够得到更加充分的利用。当轴向电机外径为156mm时，径向部分的轴向长度为40，比原长度增加了12．5mm，计算可知，此时功率比原来增加了10x12．555=2．27kW。因此，当电机的总功率需求大于12.27kw时，轴径向电机功率密度较高的优势就能够得到最充分的发挥。

    此时，如果设计成普通的外转子电机，轴向总长度需要为125mm，而轴径向电机轴向总长为84mm。经过计算可知，轴径向电机的功率密度较外转子径向电机提高了48．8％。

    因此，本文研究的轴径磁通永磁同步电机在较大外径和较高功率需求的场合，更能发挥其高功率密度的优势。

6结语

    (1)根据目前圆柱式和盘式永磁电机的特点，提出了具有新型折叠绕绢结构的轴径向磁通永磁同步电机，它能进一步提高电机的功率密度。

    (2)采用有限元方法单独设计分电机，即节省了计算时间和硬件资源，又能得到更加精确的仿真结果。

    (3)对于轴径向磁通永磁同步电机，在较大的外径和较高的功率需求的场合更能发挥功率密度大的优势。

参考文献

[1]李钟明，刘卫国稀土永磁电机国防工业出版社，1999.

[2]丰礼，唐孝镐异步电动机设计手册机械工业出版社，2002.

[3]唐任远现代永磁电机理论与设计．机械工业出版社，2005．