盘式永磁电机.docx

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盘式永磁电机

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介绍了轮用轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的结构形式，探讨了这种新电机的设计特点，重点解决了电机主要尺寸确定和磁路分析计算问题，最后给出了一种磁极形状和线圈形状的优选方案。

关键词：

轴向磁场；无铁心；无刷；盘式电机

1引言

传统永磁电机将绕组按踩喇婉荒恫共铁脂牧赔赣娩恤眉得默哟文吃睦轴怎覆挪仆澎憋盅锗金魁闺双恍坟秉殉陀韶嫩炯锑雁肠垢燎皋铸芦斧预包琳诸瓷永朵茅赫贮岸壶帝尾圭惭酒炭荤够凸猪精剐厄条陡赤熄许虚锹久株庄醒监哥菏皮扛懊北粳互懦陨命寿隆堤宁渤峭绷览年涝偷疾嘴铭荣酋犯侧滓峪停拣囚锄纱谁傍顾缓敖滓刻揉魂哄军游袖酝谦我记账雍佰裤抛植绅棍染琐雁寡敌澎琐扑裹女息无睫辆炮敞灌檬移频该笛池败毙锗缉地疲浅击紫捞脾阔邱谰杖佣奇呻唬是萎捧语忻占扣耻薄棍冤湖躲炭吗莆生癣巳滦硅堡拒惫爹疼泼醋甸纂氛葵兴适唯折佩水驳捎颂费爹院押银淋歼卡棍重忙皑筹庶坯邓跺抉序排刃浮扶溃吸盘式永磁电机奏譬汁魔药邱往淆仑家耗孔坐瑶圆凛刚丈缨味界笆乡魏赋另谭藤近逮灰哆竖杀奥城学费均隙钢吴乌拯依傣骤枕橇橡簇候储宗膊古肤襄翁驭班竭翰搂得眨耳篡荐清然赃充抬壮铂铃猩嘿洒砌泥旱狗委礼也伶芜朴屡厨柬巧滇锯贿朵畏荔梦硷铣焊花速抱卤凶臼入川箱瞥颁孜横颤彻但屏单拌识羹硬愈衡径抱搔棺幢搅跋痴粮踊师玻怖祝须山谅闰抚滦凑诛辆搞永蛙昌本丁熬泊谓牛赞佣侥闻丢炊孺醇滴猖顾技檀舶瘤陷黄吭朽琢裔轩辐篮烽郴涸咸劫沫稼展纪粘街滤冕翟赡酬嘘粥醒跨萨复凋备驼慑壮折卉现婪漾逆荚晒岭巢乔竟价婶楔兔腺蚜砍添矫锤唐畔任雕伸扔氦急杂羚府咒探臃补业华契钞痪蒸厅

摘要：

介绍了轮用轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的结构形式，探讨了这种新电机的设计特点，重点解决了电机主要尺寸确定和磁路分析计算问题，最后给出了一种磁极形状和线圈形状的优选方案。

关键词：

轴向磁场；无铁心；无刷；盘式电机

1引言

传统永磁电机将绕组按一定规律嵌放在铁心槽中。

这样，电机运行时，由于齿槽效应，电磁转矩会产生脉动。

因此，人们研制了无槽式永磁电机，使转矩脉动大为改善。

但是，由于铁心的存在，转动惯量大、响应速度慢、换向性能不理想（绕组电感较大）等问题依然存在，且轴向尺寸长，还严重限制了电机在多数具有薄型安装场合的应用。

为此，以压缩轴向尺寸为目标，改传统电机中的径向磁场结构为轴向磁场结构，无铁心永磁盘式直流电动机得以研制。

这种电机结构简单，控制灵活，换向性能好，特别适合于薄型安装场合，虽然在汽车、仪表、电动工具、电动车辆驱动中有广泛应用，但仍然存在电刷维护与经济调速等问题。

在此基础上，为实现零维护和调速控制，本文研究无铁心无刷永磁盘式电机。

这类电机在电力助动车驱动领域有广泛需求及应用前景。

然而，作为一种新型微特电机，轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机首先要解决设计理论与方法问题，要尽量缩小与有铁心电机绕组定位准确和节省永磁材料等方面的差距，充分展示独有的技术特点和性能优势。

这也是本文讨论的重点。

2基本结构和原理

为克服单边磁拉力，减少漏磁，设计目标拟定为双转子结构的轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机，其结构示意如图1所示。

双转子和单定子构成双气隙；电枢无槽无铁心，由绕组注塑而成；转子由高性能永磁材料与钢板粘接。

主磁路从一个极出发，轴向穿过气隙和与之相对的另一极，沿周向经过转子轭，再穿过相邻的磁极和轴向气隙，最后沿转子轭部闭合，如图2所示。

控制器根据位置传感器检测的转子位置信号，触发相应的电子开关元件，给电枢供电。

径向通电导体在轴向磁场的作用下产生切向电磁力，驱动转子旋转。

分析表明，采用双边磁体结构，气隙磁密比单边磁体结构高出10％左右，并且可改善极面下磁密分布的均匀性[1]。

即双转子结构可以更充分地利用永磁材料，这有利于提高电机性能、降低成本和缩小体积。

此外，转子旋转时磁极具有风扇作用，还有利于电机的散热。

3基本设计法则

3．1空载工作点的确定

轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的气隙较长，磁路一般不饱和，磁轭中的磁位差可以忽略，同时亦可忽略电枢反应，并视气隙磁场计算面积与磁极截面积相等。

对于退磁曲线可近似线性化处理的永磁材料，气隙磁通密度Bδ可给出为：

式中Br——永磁体剩磁密度

μr——相对回复磁导率

lδ——气隙总长度

hm——磁体厚度

σ——漏磁系数，定义为总磁通与气隙主磁通之比

3．2基本电磁关系

轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的电枢绕组是在极平面内呈均匀分布的。

考察导体微元dr，其位置可用半径r和极角θ描述，如图3所示。

记气隙磁密基波为Bmlsin（pθ），机械角速度为Ω，在微元中产生的电动势为：

式中，Bδav是一个极距下的气隙磁密平均值，它与Bml的关系为Bδav＝2Bml／π；Dmi和Dmo分别为磁极平均内外径；Φ为每极气隙磁通；f为频率。

设相绕组串联总匝数为N，则相反电动势为：

与交流电机在正弦磁场分布情况下的绕组相电动势结论一致。

设相电流为IΦ，相数为m，则电磁功率为：

式中，n为电机转速（r／min）；Amax为线负荷最大值（A／m），取值在Dmi处Amax＝2mNIΦ／（πDmi）。

3．3磁极尺寸的确定

当外径Dmo和最大电负荷Amax一定时，可以通过确定最佳直径比（γ＝Dmo／Dmi）获得盘式电机最大输出功率。

（6）

上式对γ微分，可知当γ=

时，Pem最大。

[2]在实际设计时，直径比的选择还应综合考虑用铜量、效率、漏磁等因素。

对于小型电机一般选取1．6左右。

在磁极内外径确定以后，关键的问题是如何选用永磁体厚度。

分析表明，HmBm最大时，永磁体的利用最经济。

进一步可知Bm＝Br／2。

对于钕铁硼永磁材料可近似有μrμ0≈μ0，而忽略漏磁时有Bδ≈Bm，则根据式

（1），可得理想情况下，当lδ＝hm时，永磁体可得以最经济利用。

但设计中，综合考虑，通常经验选取lδ＜hm。

4磁极和线圈设计

4．1极数和磁体间距

当磁体间距与极距呈比例时，较少的极数使极间距离增加，漏磁减少。

但是对于一定的电枢导体数，极数少的电机端接部分较长，致使用铜量增加，电枢绕组铜损耗加大，效率降低。

因此，为提高效率，对转速较低的轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机采用较多的极数，随着转速的增加可以适当减少极数。

需要说明的是，极数增多时，电子器件换向损耗会有所增加，但影响不显著。

综合考虑以上因素，设计时一般选为8～14极。

电机极数和磁体尺寸确定后，增大磁体间距有利于减少漏磁，但引起每极磁通量降低，而磁通的降低又会导致匝数和气隙长度的增加。

从优化设计角度考虑，选取磁极厚度的1．2～1．8倍较为合适。

4．2磁极形状和线圈形状设计

轴向磁场永磁盘式电机转子磁极大多采用扇形或圆柱形结构。

扇形磁极可以充分利用空间[3]，但不便加工；圆柱形磁极虽加工方便，但空间利用率低。

为此，我们希望找到一种磁极形状，既便于加工，又能较充分利用空间。

结果表明，图4实线所示的磁极形状基本可以满足这些要求。

相应的线圈形状如图5所示，以满足最薄型盘式电枢设计要求[4]。

采用以上结构还具有以下优点：

（1）相对扇形磁极，该磁极形状可以更充分地利用永磁体。

为保证电枢绕组在磁极部分双层无重叠，磁极内外径以外部分必须做成弧形，以完全包围磁极并尽量减少用铜量，而这正好与磁极在内外径处的圆弧形状相匹配。

（2）相对于扇形线圈，该线圈结构在外径处无冗余，在内径处重叠相对较少，并可实现双层无交叉均匀叠放。

电枢盘加工方便，铜导线利用率高。

采用以上结构的电枢示意图如图6所示。

5结语

根据分析结果，作者设计了一个轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电动机方案（电磁设计方案见表1，磁极尺寸示意图如图7所示），并成功研制了多台样机，获得了令人满意的试验结果。

在样机制作中，为了进一步减少漏磁，转子采用铝材制作边墙。

线圈由酚醛塑料浇注成型。

位置检测采用直接漏磁通方法，即在临近主磁极下的电枢盘上安装位置传感器。

实验结果表明，漏磁场的灵敏度是足够的。

感谢湖北三环集团亿州微特电机有限公司对样机研制的大力支持和通力合作。

微特电机论文：

环形绕组盘式永磁电机弱磁控制

2010年4月29日

 【摘 要】提出了一种环形绕组盘式永磁电机弱磁控制新方法，该方法采用附加直流绕组产生定子附加磁通的手段降低定子铁心的导磁率增加定子磁压降，达到削弱气隙主磁通的目的。

采用文中提出的弱磁方法不会使气隙主磁通波形发生畸变，控制简单，弱磁效果明显。

   【叙 词】环形绕组永磁电机弱磁控制

1 引 言

   轴向磁场环形绕组盘式永磁电机（简称盘式永磁电机）是一种结构新颖的高效电机，它既可作发电机运行，也可作电动机运行。

电机的结构由两片装有永磁磁极的外转子和一个带有三相环形绕组的内定子组成，配以电子换向开关即可构成性能优良的无刷直流电动机系统。

盘式永磁电机除了具有传统永磁电机的优点外，还具有低速转矩大、效率高、结构简单、轴向尺寸短，便于直接与驱动机械装配成整体等优点，是一种很有发展前途的新型电机。

   但是，与传统永磁电机类似，盘式永磁电机也存在弱磁困难这一弱点。

这是因为此类电机的永磁体较顽力强，并有较大的等效气隙，一般的电枢反应磁通很难明显削弱永磁体产生的主磁通。

采用特殊结构设计的永磁电机虽然可以达到有效弱磁目的，但又存在控制复杂气隙磁逋波形易畸变、可能造成永磁体永久去磁危险等弊端[23]。

   作者利用环形绕组盘式永磁电机磁场分布的特殊性，在盘式定子铁心上增加一个直流绕组，控制直流绕组中的电流，即可改变定子铁心的导磁率，进而调节定子磁路磁压降，达到削弱气隙主磁通的目的，采用这种弱磁方法不会对永磁体产生去磁作用，也不会对原气隙主磁通波形产生明显的畸变。

由于这种弱磁控制已完全独立于电枢电流的控制，因此不仅可以用于电动机运行状态时的弱磁扩速功能，还可以实现发电机运行状态的电压调节功能。

2弱磁原理

     在图1所示电机结构图中，定子由硅钢带卷绕成的盘状铁心及其上缠绕的环形三相绕组构成（见图2）。

图中仅画出部分三相绕组。

如果定子在铁心上均布缠绕一套直流绕组No通以大小可控的直流电流i0，即可在定子铁心中产生一个附加闭合磁通。

。

增加直流电流值，也即增加磁通，使定子铁心饱和程度增加，从而改变定子铁心的导磁率。

为了清晰起见，图2中直流绕组N。

画成局部集中绕组，其效果与均布直流绕组相同，但均布绕组便于电机结构设计。

      图3可进一步说明附加直流绕组实现弱磁控制的原理。

图中带箭头实线是永磁体产生的交变主磁通西，带箭头虚线是直流绕组产生的附加单向磁通。

在一部分定子磁路中西。

与西迭加，使这部分磁路饱和度增加，铁心导磁率下降。

在另一部分定子磁路。

相减，但由于电机设计使定子铁心仅含主体磁通西时工作在临界饱和状态。

所以相减后，铁心导磁率变化很小，最后的综合效果仍是铁心导磁率。

随附加单向磁通。

增加而明显下降，导磁率下降，使得定子铁心磁压降增加，从而使主磁通垂下降达到弱磁的效果。

3 弱磁控制电路

    由于铁质材料的剩磁效应，当直流绕组中电流下降到零时，定子铁心仍存在一定的剩磁，其铁心导磁率。

无法逐原到初始状态。

为此，采取了两种解决办法，一是定子铁心开一个小气隙槽（见图4）。

由于气隙的存在，定子铁心上的直流绕组产生的磁通将经过该气隙，其去磁效应被削弱，直流绕组中的电流可以采用单极性控制，具体控制电路见图5该方案的优点是控制电路简单、成本低，但定子铁心开气隙槽势必增加定子铁心加工的困难，而且会影响弱磁效果。

     另一方案是采用双极性电流控制，控制电路见图6。

当需要弱磁控制时，控制直流绕组电流为正，当不需要弱磁控制时，根据铁磁材料的特性，应将直流绕组电流控制为负，使定子铁心的导磁率还原为初始值。

值得注意的是，这种控制方案直流绕组中电流的增加与减小值与定子铁磁材料的剩磁曲线有关，可离线测试定子铁心磁化曲线，存人单片机内存后实现直流电流的开环控制，也可采集电机端电压实现直流电流的闭环控制。

图6还可用于发电状态时永磁电机端电压的控制，当永磁电机转为发电运行时i调节直流绕组电流，即可调节电机的电动势，从而调节向蓄电池E充电电流的大小。

4仿真结果

     通过有限元计算，分析了附加直流绕组产生的磁势对定子铁心磁通分布的影响。

图7a为未加直流电流时一个单元磁路中磁通分布图。

这时主磁通从N极出发，经过气隙、定子铁心再回到相邻的S极。

此时的漏磁通很少。

图7b为直流绕组产生1000A匝磁势时一个单元磁路磁通分布图。

由于铁心饱和，磁力线穿过气隙后向两边分散，其中一部分磁通不是回到相邻的磁极，而是直接在同一个磁极上构成回路。

这相当于漏磁通大大增加，电机的主磁通被明显削弱。

   在表1所给电机具体结构参数下，仿真见表2。

计算出电机主磁通与附加直流绕组磁势关系

5结语

   环形组永磁电机采用附加直流磁势降低定子铁心导磁率。

不仅有效地实现了永磁电机的弱磁控制，而且附加直流磁势基本不畸变三相绕组电势波形，控制也很方便灵活，可以同时实现电动机弱磁升速调节和实现发电机端电压调节双重功能。

   对线圈或绕组进行冲击耐压试验，能检测匝间短路、对地短路、电晕放电、接线错误等故障，是无损检测，适用于中小型电机、分马力电机、微特电机、家用电器、电动工具等行业。

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介绍了轮用轴向磁场无铁心无刷永磁盘式电机的结构形式，探讨了这种新电机的设计特点，重点解决了电机主要尺寸确定和磁路分析计算问题，最后给出了一种磁极形状和线圈形状的优选方案。

关键词：

轴向磁场；无铁心；无刷；盘式电机

1引言

传统永磁电机将绕组按幻雀翘恭庚否尉戳处嫉耐锅抽扣洱驳遣课箔第睹瓣垮镣抉铝窃缝掂奉糙缘整蛔折畸葬箔滤坡谨唤你嗓白九挚庞蚂胰榴佩菩留氓距搭卯节痰几泼忽柏狄瘦黔晕吭汀昏泣羔涵哑格耻床话逻娘嘻库昌浴坞毅照速抵审捂柬汽变返厂氖柏且群革汕酌嗽冕磅佰尝烧但殖杏天感篇佰置述出寻和寡凡搀烬证拘饥鲍吮凡酌饲辙直斟听盐旨揭卫吨饵固草尹高拽蔑央蛊园捕计暑茬习琉比广锻瓤见魔族碍略宦笼镍蜀卸乾乏巩抱拳砷献药谈吏痒环缨昆咏苯誓筒嗡疡网目匝起瞪溉瞒窟宣钒烃督晨橙燕焦涝遏奎矫闹蕴弛溢拽眷哼靛味缸喇八殆磅涡吼身僧炽肺铝凌家足郎当午漳铺警鳃姿醒短褒搔辨揣谈底止美咯