（电机与电器专业论文）盘式无铁心永磁同步电机负载情况下的磁场分析及计算.pdf

a b s t r a c t d i s kp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ri sak i n do f p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r ， w h i c hi st h eh i l g hp e r f o r m a n c es e r v om o t o r d e v e l o p i n gr e c e n t l y i th a sm a n ya d v a n c e s s u c h 嬲s m a l lv o l u m e ，l o ww e i g h t ，c l o s es t r u c t u r e ，l o wm o m e n to fi n e r t i ao fr o t o r , s t e a d yo p e r a t i o na n ds oo n i th a sb e e nm a d eu s eo fw i d e l yf o rm i l i t a r ya f f a i r s ， s p a c e f l i g h t ，a g n c u l t u r ea n dd a i l yl i f er e f e r e dt oa sn e wd r i v ed e v i c e b e i n go n ep a r to f t h en a t i o n a lp r o j e c t8 6 3 “d e s i g na n di n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yo fn e w r a r ep mm o t o r ”， t h es t u d yo b j e c to ft h i sp a p e ri st h ed i s kc o r e l e s sp m s mb a s e do nh a l b a c ha r r a y b e c a u s eo ft h ec o r e l e s ss t r u c t u r e ，t h em o t o rh a sl e s sm a s s 。l o w e rl o s sa n dn o i s es ot h a t p o w e ri si m p r o v e d o w i n gt ot h ee s p e c i a ls t r u c t u r eo ft h em o t o r , t h em a g n e t i cc i r c u i to ft h ed i s k c o r e l e s sp m s mi sd i f f e r e n tf r o m 也eo t h e rc o m m o nr a d i a lm o t o r ss ot 1 1 a tt h ef o r m e r m e t h o d sc a n tb eu s e dt od e s i g nt h i sm o t o r i nt h ep a p e r ，w eb u i l dt h e2 da n d3 dm o d e lo ft h ea r m a t u r ea n dl o a dm a g n e t i c f i e l da c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo ft h em o t o r t h e nm a k i n gu s eo ft h e2 da n d3 df i n i t e e l e m e n tm e t h o dt oc o m p u t ea n d a n a l y z et h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i n gw i t hl o a d t h e i n f l u e n c eo ft h ea r m a t u r em a g n e t i cf i e l dt ot h em a i nf i e l da n dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e n t h e2 da n d3 df e ma r ed i s c u s s e d 。 b o t ht h er a d i a la n da x i a lm a g n e t i cf i e l do ft h ed i s kc o r e l e s sp m s ma r e v a r i a t i o n a li nt h a tt h em o t o r b e l o n g st ot h ea x i a lm a g n e t i cf i e l dm o t o r s os o m eo ft h e e l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r sa r ec o m p u t e dw i t ht h eh e l po ft h ef e mm a g n e t i cf i e l d n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n i nt h ep a p e r ，s o m em e t h o d sf o rt h ep a r a m e t e r sc a l c u l a t i o na r e i n t r o d u c e d t h ea n a l y s i so ft h ea r m a t u r er e a c t i o no ft h em o t o ri sa na c c e s s o r i a le f f e c to nt h e m o t o rd e s i g n a t i o na n di m p r o v e st h ed e v e l o p m e n to fi t t h ed i s k c o r e l e s sp m s m b a s e d0 1 1h a l b a c ha r r a yc o u l db eu s e dw i d e l yi nm a n yf i e l d ss ot h a tt h em o t o rw a s m a n u f a c t u r e ds u c c e s s f u l l yc o u l d p r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fi n t e r r e l a t e dp r o d u c t k e yw o r d s ：d i s kc o r e l e s s ，a r m a t u r em a g n e t i cf i e l d ，l o a dm a g n e t i cf i e l d ，f e m ， p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：白c 移 ， 、 签字日期：问年易月岁日 聊繇秒秽壶 签字日期：砩年6 月 ， 第一章绪论 1 1 盘式永磁同步电机的国内外发展及研究现状 不同于传统圆柱电机的径向磁通，盘式电机属于轴向磁场电机，因为它的定 子、转子存在轴向磁吸力和制造复杂的缺点被以后发展起来的常规电机又称径向 磁场电机所取代。但是常规径向磁场电机也同时存在着一些比较难以克服的问 题，例如，齿根部的“瓶颈”现象，导致电机的散热和铁心利用率低；电机存在着 效率不高、转动惯量大、响应速度慢等缺陷，而且当电机运行时，由于存在齿槽 效应，使得电磁转矩存在脉动，从而限制了其应用范围等问题。针对上述径向电 机的缺点，从2 0 世纪4 0 年代起人们又转向对轴向磁场电机的研究，开始关注盘 式电机的研制。随着科技的发展，利用新的加工工艺和优化方案逐步解决了盘式 电机铁心加工困难以及定、转子存在轴向磁吸力等问题，为其进一步研究排除了 困难，使得各类盘式电机迅速的发展起来。国外盘式电机的产品类型多，在7 0 8 0 年代就已经投入市场。在我国，7 0 年代开始研究盘式电机，近2 0 年来，各类盘 式电机产品也相继问世。目前，在我国已经开始研究的盘式电机类型有线绕盘式 直流电机、盘式异步制动电动机、线绕盘式电枢发电机、盘式步进电动机、盘式 磁阻电动机、盘式异步无级调速电机、双定子盘式异步电动机和盘式吊扇电机以 及盘式永磁同步电机等。研究结果表明：轴向磁场电机不但具有较高的功率密度， 对于一些特殊应用场合，它还具有明显的优越性。 当今随着数控机床、工业机器人、机械手、计算机及其外围设备等高科技产 品的兴起以及如雷达、卫星天线等跟踪系统的需要，对伺服驱动电机提出了更高 的性能指标和薄形安装结构的要求。盘式永磁同步电机最显著的特点是转子的转 动惯量小，机电时间常数小，峰值转矩和堵转转矩高，转矩重量比大，低速运行 平稳，具有优越的动态性能。除此之外，这种电机还可以制成多气隙组合式结构， 进一步提高转矩，因而特别适合于大力矩直接驱动装置【l 】。同时稀土永磁材料的 发展也是促进盘式永磁同步电机研究的一个重要因素。随着永磁材料性能的不断 提高和完善，特别是钕铁硼永磁材料热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降 低以及电力电子器件的进一步发展，也使得稀土永磁电机的研究开发进入了一个 新的阶段。近些年来，世界上一些先进工业国家的众多学者投身于研制盘式永磁 同步电机的队伍中，使得此种电机得到了迅速的发展，作为现代高性能伺服电机 和大力矩直接驱动电机己广泛应用于机器人等机电一体化产品中，并开始局部 第一章绪论 地、无可争议地取代传统伺服电机产品。 近几年，盘式永磁电机因其优越的特性，并随着市场的需要以及设汁研究辅 助工具的提高而得到了迅速发展。目前，国内外已开发了许多不同种类、不同结 构的盘式永磁电机，与之相关的研究领域都取得很大成果。y i c h e n gc h e n p r a g a s g np i l l a y 等多名学者对七种不同结构的永磁电机进行了比较，见图1 - 1 和图】一2 。 a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 分别为常规的径向内转子、径向外转子、有槽取定子轴 向电机、有槽双转子轴向电机、有定子平衡的单边轴向电机、有转子平衡的单边 轴向电机以及环行绕组的轴向电机。 图1 - 3 单边轴向盘式永磁发电机结构图国1 4 涡轮驱动装置 两年后，a s k op a r v i a i n e a 对盘式电机的结构进行了改造，开始对双定子单转 第一章绪沦 子的盘式永磁电机展开了研究井设计制造了一台5 k w 的双定子单转于的表曲 式永磁盘式电机4 i ，如图l 一5 所示为该种电机的结构示意图样机的主要参数见 表1 1 。 圈1 5 双定子单转子盘式永磁电机结构图 最l l5 k w 的职定于单转于永磁盘式电机主要参歙 参数：_ 数据 澄翰豳豳圈圈圈圈圈圈豳 效率， 8 9 j ；i 圈鞠豳_ 圈豳_ 内榭m1 9 ；7 圈醒豳_ 圈_ 转澎r - m n 1 3 豳疆豳圈圈隧 本谋题所研究的盘式永磁同步电机的定于电枢绕组是属于无铁心结构的，对 于无铁心电机的研究国内外一般研究很少。文献相对较少。1 9 9 4 年，辜承林采 用有限元和近似解析方法对不同结构的转子盘式无铁心直流永磁电机的磁场进 行了计算，设计出盘式无铁心转子。新西兰奥克兰大学设计了一台内定子外转子 的无刷无铁心直流电动机”】，其定子由塑料制造。采用三相无槽绕组。意大利的 一名学者研发的1 6 极多盘无铁心直流永磁同步轴向电机是由多个转子和定子盘 组成电机中的外壳和轴承均采用的是塑胶材料，以达到减轻电机重量的目的， 在两个末端转子盘上分别安装了与永磁体同步旋转的铁环，使其内部磁场呈封闭 式，它主要应用于飞行器螺旋推进器的驱动装置【6 l 。此电机的结构图和样机示意 图。 第一章绪论 图1 6 多盐无铁心永隘电机的结构示意图图l 一7 多盘式尤铁心永磁同步电机样机罔 1 2 电机内电磁场分析的发展状况 当电机运行时，打它的内部空问，包括铜与铁所r i ，的卒闸i 置域，存神着l n 磁 场，这个i u 磁场是1 定、转子电流所产牛的。电机中，电磁场在1 i 同媒质- i 的分撕、 变化以发与电流的交链情况决定r 电机的运行状态与性能。吲此，研究电机中 的i u 磁场对分析和址计电机具彳重要的意义j 。 电机电磁场的汁算般门结为某些偏微分 程的求解，求解偏微分方程必须 结台具体问题叶1 的特定边界条件j j 能获得唯的解替。求解俯微分方程的各种数 学 法都u r 以应j h 于求解i b 机电磁场问地，常见的疗法有解析“：、剖解法、模拟 法和数值计算法四类。 1 9 7 0 年，e e s i l v c s t e r 和m v k c h a d 把有限元方法引入到电磁场计算中这 是电磁场数值分析的一个重要的转折点。1 9 7 2 年，m u l l e r 等用有限差分法计算 了发电机的三维场。虽然有限差分法具有直观、网格形成简单、准备数据省时等 众多优点，但由于网格与边界以及内部媒质分界面的吻合程度差导致了计算结 果误差较大，所以近十年来应用较少。除了传统的f e m 和f d m 外还有积分 方程法、边界元法等，当今随着计算机技术与数值计算技术的不断发展，一些新 的球解偏微分方程方法也已经逐步发展起来。目前数值计算法在电气工程中被广 泛应用，已确立了其在电磁分布问题求解领域中的绝对优势地位。 当今，随着有限元技术的不断发展进步，已被广泛应用于电机设计和参数计 算中。尤其是对于磁场分布较为复杂的盘式无铁心永磁同步电机，应用有限元数 值分析方法可以较为准确地计算磁场，并给与设计指导，为研制出性能更加优越 的盘式永磁电机开辟了道路。 第一章绪论 1 3 本课题研究的目的和意义 盘式永磁同步电机因其重量轻、转矩大、效率高等优点，逐渐成为当代新型 伺服电机，已经成为当今国内外众多学者的研究对象。在国外，很早就开始了对 此种电机的研制开发，但是我国对盘式永磁电机的研究起步很晚，理论还不是很 完善，基本上处于试制阶段，因此对此种电机的研究工作就显得非常重要。为了 发展我国新一代高性能伺服电机及伺服系统，改变高性能伺服电机长期依赖进口 的局面，把盘式永磁同步电动机产品化，已成为我国电机行业一项十分紧迫而艰 巨的任务。而产品化的实现，还有许多研究课题需要解决，例如永磁电机精确电 磁场分析和计算、新型永磁电机优化设计规律、新型永磁电机的制造工艺与装备、 电机专用烧结钕铁硼永磁材料和新型永磁磁路结构及其充磁方法。 本课题主要的研究对象是新型结构钕铁硼永磁交流伺服电动机基于 h a l b a c h 阵列的均匀气隙盘式无铁心永磁同步电动机，是国家8 6 3 计划项目高 性能稀土永磁电机技术集成及关键材料( 2 0 0 4 a a 3 2 g 0 8 0 ) 的部分研究内容。 此种电机的电枢绕组部分不同于传统电机的结构，属于无铁心结构，不存在齿槽， 因此它的电枢磁场也与普通同步电机的电枢磁场有所差异。在以往的学术研究 中，往往只是针对盘式电机的空载磁场进行研究，往往忽略了电枢磁场反应，将 负载磁场直接等效于空载磁场，这样计算的负载场就会与实际有所差异，而且相 关的一些电磁参数计算也会不准确。本课题就是分别利用二维和三维有限元分析 方法对盘式无铁心永磁同步电机的电枢磁场和负载磁场进行仿真和计算，分析电 枢磁场对主磁场的影响，从而得到较为准确地负载磁场分布曲线。并利用有限元 分析方法较为准确的计算盘式无铁心永磁同步电机的某些电磁参数。 1 4 本课题研究的内容 基于h a l b a c h 阵列的盘式无铁心永磁同步电机是不用于普通圆柱式电机的一 种新型轴向磁场电机，因此它的磁场分布和计算就具有自己的特点，使用常规的 分析方法是不能准确设计电机以及计算相关电磁参数，因而要结合此种电机的特 点进行磁场分析和计算。本课题的工作包括： ( 1 ) 结合盘式永磁同步电机的结构和特点，介绍本课题的研究对象基于 h a l b a c h 阵列的盘式无铁心永磁同步电机的结构特点和相关工艺； ( 2 ) 通过分析盘式无铁心永磁同步电机的内部磁场特点，建立了此种电机电 枢磁场和负载磁场的数学模型； ( 3 ) 利用二维和三维有限元分析方法计算盘式无铁心永磁同步电机的电枢 5 第一章绪论 磁场和负载磁场，分析了电枢磁场的变化规律以及它对主磁场的影响； ( 4 ) 由于盘式无铁心永磁同步电机内部磁场的特点，使得一些通过传统经验 获得的计算公式不太适用于此种电机，本文在通过分析电枢磁场和负载磁场的特 性后，利用有限元数值方法计算相关的一些电磁参数。 6 第二章盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构及工艺 第二章盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构及工艺 2 1 传统径向永磁同步电动机的结构和特点 电机是一种利用磁场为媒介进行电能和机械能之间相互转换的电磁装置。电 机可以分为电励磁电机和永磁电机，两者最大的区别在于如何建立机电能量转换 所必需的气隙磁场。电励磁电机是通过给线圈绕组通电流来产生相应的气隙磁 场，这种电机需要有相应的装置和专门的绕组，同时还需要不断给电机通入电能 来维持电流流动，以便产生所需要的磁场；而永磁电机的旋转的气隙磁场则是由 永磁体来提供的，因为永磁材料本身的固有特点，所以不需要利用外加能量便可 以产生磁场。这样的电机不但结构比较简单，而且还可以节省能量。 近几年从永磁电机的发展状况来看，它的成长与进步跟永磁材料的发展紧密 联系在一起。人们通过对永磁材料机理、构成和制造技术不断深入的研究，相继 发现了碳钢、钨钢、钴钢等多种永磁材料，由于磁性能有了很大的提高，各种微 型和小型电机开始纷纷使用永磁体励磁。特别是2 0 世纪6 0 年代和8 0 年代发现 的稀土钴永磁和钕铁硼永磁材料，它们具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和 线性退磁曲线的优异磁性能特别适用于制造电机，从而使永磁电机的发展进入了 一个新的历史阶段。 永磁电机尤其是稀土永磁电机，与传统的电励磁电机相比具有很多优越性， 它结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸 灵活多样。所以此种电机具有广泛的应用空间，那么先主要介绍一下几种典型的 永磁电动机【8 】： ( 1 ) 高效永磁同步电动机 高效永磁同步电动机的主要特点表现在： a ) 它与感应电动机相比，由于不需要无功励磁电流，因此功率因数有了明 显的提高，减少了定子电流和定子电阻所产生的损耗，同时在稳定运行时没有转 子电阻损耗，从而与同规格的感应电机相比，效率可以明显提高。而且永磁同步 电动机在2 5 1 2 0 额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使得这种 电机在轻载运行时具有更为显著的节能效果。图2 1 为高效永磁同步电动机结构 示意图。 7 第二章盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构及工艺 图2 1 高效永磁同步电动机结构示意图 1 一转轴2 一轴承3 一端盖4 一定予绕组5 一机座6 一定子铁心 7 一转子铁心8 一永磁体9 一起动笼l o 一风扇1 1 一风罩 b ) 永磁同步电动机与电励磁同步电动机相比，不存在励磁功率，进而提高 了效率，简化了结构，并实现了无刷化。 c ) 永磁同步电动机与永磁发电机一样，制成后难以调节磁场以控制其功率 因数和无功功率，需要从其他方面采取措施。 ( 2 ) 调速永磁同步电动机和无刷直流电动机 当今，随着电力电子器件价格的不断降低以及相关技术的快速发展，直流电 动机调速系统逐渐地被使用变频电源和交流电动机所组成的交流调速系统所取 代。永磁同步电动机在稳定运行时其转速与电源频率保持恒定的关系，它的这一 特点决定了这用电机可以直接应用于开环的变频调速系统，特别适用于由同一变 频电源供电的多台电机要求准确同步的传动系统中，从而简化了控制系统，减小 了配套电源的价格，降低了成本，因此它在各种调速系统中的应用越来越广泛。 使用变频器供电的永磁同步电动机结合转子位置闭环控制系统构成的自同 步永磁电动机的主要特点是具有电励磁直流电动机较好的调速性能，而且实现了 无刷化，这在要求高控制精度和高可靠性的领域得到了广泛应用。其中，反电动 势波形和供电电流波形都是矩形波的电动机被称为无刷直流电动机；反电动势波 形和供电电流波形都是正弦波的电机被称为正弦波永磁同步电动机，简称为永磁 同步电动机。 ( 3 ) 永磁直流电动机 利用永磁体建立励磁磁场的直流电动机，既保留了电励磁直流电动机良好的 调速特性和机械特性，而且因其省去了励磁绕组和励磁损耗而具有体积小，重量 轻，结构简单且效率高等特点。迄今为止，我国已经开发出功率为0 5 5 - 2 2 0 k w 、 电压为1 6 0 v 和4 0 0 v 的钕铁硼永磁直流电动机系列，与同规格的电励磁直流电 动机相比效率提高了6 ，同时铜材节省了3 0 0 o - - - 4 0 、硅钢片节省了1 0 0 旷2 0 。 在汽车工业中，电机是汽车的关键部件永磁直流电动机满足了汽车对电机质量 第二章盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构及工艺 轻、效率高、控制性能好、可靠性高的要求。 ( 4 ) 永磁特种电机 由于稀土永磁具有高剩磁密度、高矫顽力和高磁能积的特点，所制成的电机 可以具有较大的气隙长度和气隙磁密，因而设计电机时，对于永磁体如何安放以 及磁路结构如何设计等问题上具有很大的灵活性。同时人们根据使用的场合，特 别是汽车、计算机和航天工程的需要，制成与传统电机不同的结构形状和尺寸， 比如盘式电机、无槽电机、无铁心电机等。这样不仅能进一步减少电机的质量和 转动惯量，提高电机的反应灵敏度，而且可以减少电机转矩脉动，增加运行的平 稳性，同时还简化了电机的结构和工艺，使得永磁特种电机的应用范围越来越广。 2 2 基于h a l b a c h 阵列的盘式无铁心永磁同步电动机的结构 2 2 1 盘式永磁电动机的基本结构和特点 盘式永磁电动机的气隙磁场是轴向的，因此它属于轴向磁场电机。1 8 2 1 年， 法拉第发明了世界上第一台电机即是盘式永磁电机。轴向磁场盘式永磁电机的发 展与材料和工艺水平的高低密切相关。近几年，随着稀土永磁材料的应用以及工 艺水平的不断提高，盘式永磁电机有了飞速的发展，轴向磁场电机也越来越得到 人们的重视。图2 。2 为盘式永磁同步电动机的典型结构示意图。 永 图2 2 中间转子结构的盘式永磁同步电动机 此种结构的盘式永磁电动机其定子和转子在电机中是对等放置的，形状是圆 盘形的，产生轴向气隙磁场。定子铁心一般是由双面绝缘的冷轧硅钢片带料冲制 卷绕而成，绕组的有效切割磁场部分在空间呈径向分布。它的转子为高磁能积的 永磁体和强化纤维树脂灌封而构成的薄圆盘。绕组一般采用常见的叠绕组或波绕 9 第二章盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构及工艺 组联接方式。 盘式永磁同步电动机具有轴向尺寸短、体积小、重量轻以及结构紧凑等特点。 在运行性能方面，此种电机也有诸多优点，例如其励磁系统采用的是永磁体励磁 方式，所以不存在损耗，这样电机的运行效率会比较高。再有，它的定转子都是 对等排列，绕组会有非常良好的散热条件，因此可以获得很高的功率密度。另外 这种电机的转子还具有转动惯量小，机电时间常数小，峰值质量比大，低速运行 平稳等优越的动态性能【9 】。 盘式永磁同步电动机具有多种结构形式，根据定转子数量和相对位置可以分 为： ( 1 ) 单定子、单转子结构，如图2 3 所示。这种结构的电机十分简单，但是 转子磁场会在定子绕组中交变，因此会产生一定的损耗，最终导致电机的效率降 低。 ( 2 ) 中间转子结构，如图2 4 所示。它是由双定子和单转子组成的，其定子 铁心可以分为有齿槽和无齿槽两种。这种结构的电机的优点是可以获得最小的转 动惯量和最优的散热条件。 ( 3 ) 中间定子结构，如图2 5 所示。它是由双转子和单定子组成的，其定子 铁心一般情况下不开槽，绕组既可以直接粘贴在铁心上，也可以均匀环绕于铁心 上形成环形绕组定子。这种结构的电机的优点是转动惯量比中间转子结构的要 大。 ( 4 ) 多盘式结构，如图2 6 所示。它是由多个定子和多个转子交错排列组成 的。此种电机可以获得较大的转矩，因此特别适用于大力矩直接传动装置。 转子永 图2 3 单定子、单转子结构图2 _ 4 中间转子结构图 1 0 子铁心 第二章盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构及工艺 定 t 物 t 心 豳 聚 i 习 幽 熏 】 l 隰 l l 一， l 测l 图2 5 中间定子结构 图2 - 6 多盘式结构 2 2 2h a l h a c h 阵列的介绍 当前，当常规永磁电机处于高速或超高速运转时，铁心损耗非常大，这就导 致了电机的效率大大降低；另外常规永磁电机的脉动转矩也相对较大；同时受气隙 磁场的影响，功率密度小，使得其在大功率密度的微型电机中的应用受到了限制。 鉴于常规永磁电机的这些缺点，早在1 9 7 9 年，美国伯克利实验室的物理学家 k h a l b a c h 针对永磁体的构造，他提出了一种新颖磁钢排列方式，即h a l b a c h 型 永磁体阵列的概念，这种方式可以利用永久磁铁的分布来形成正弦磁场，在八、 九十年代许多研究机构相继将这一技术应用于新一代的粒子加速器、自由电子激 光装置、同步辐射装置等高能物理领域。因其具有许多优良的特性，2 0 世纪9 0 年代中期，国际上逐渐开始重视其在电机领域的应用，并形成了一种特殊的永磁 电机- - h a l b a c h 电机。通常的永磁电机设计，永磁体多采用径向或切向阵列结构， h a l b a c h 型永磁体阵列则将径向与切向阵列结合在一起，合成的结果使一侧的磁 场增强而另一侧的磁场减弱。h a l b a c h 型永磁体阵列的基本结构如图2 - 7 ( c ) 所示， 径向或切向结构如图2 7 ( a ) 、( b ) 所示。 画 第二章盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构及工艺 ( c ) 图2 7 ( a ) 径向结构( b ) 切向结构( c ) h a l b a c h 阵列 近年来随着对h a l b a c h 型永磁体阵列的深入研究，在高性能电机领域中的应 用研究越来越受到重视，这主要是由于其具有一些适用于电机的优良特性【1 0 】： ( 1 ) h a l b a c h 型的永磁体阵列可以使一侧磁场的磁通密度值很强，同时另一 侧却很弱。利用此种排列形式的这一特性可以帮助提高电机气隙中的磁密，从而 提高电机的力能密度，缩小电机体积。同时，因为h a l b a c h 型阵列可以在增强一 侧磁场的同时，减弱另一侧磁场，所以将这种陈列方式运用到电机中可以大大减 小电机轭部的磁通，即该阵列具有磁自屏蔽特性，这样不但可以大大减小电机本 身的漏磁现象，减少电机对外部环境的电磁干扰；而且可以使轭部铁心的质量减 小，有助于降低成本，为制成无铁心的电机提供了可能性；同时此种永磁体排列 方式可以减小电机转子的质量和转动惯量相，得到较好的动态特性。 ( 2 ) h a l b a c h 型永磁体阵列不仅可以得到在空间按理想正弦分布的磁场，而 且还可以减弱电机的齿槽效应力矩。当采用每极较少的永磁体块数时，也可以得 到与理想h a l b a c h 型永磁体阵列类似的磁场分布，因此采用h a l b a c h 型永磁体 阵列的电机使得齿槽效应力矩几乎可以忽略不计，有利于提高电机的性能。采用 较少段数的h a l b a c h 型阵列以及简单绕组和定、转子非斜槽结构，就可以得到理 想的正弦分布的磁场，降低电机制造成本。 ( 3 ) 采用h a l b a c h 型永磁体阵列，可以降低电机的电磁力矩脉动以及对电机 轴承的要求。 ( 4 ) h a l b a e h 型永磁体阵列可以提高电机的效率。与常规的永磁体径向励磁 结构的电机相比，采用h a l b a c h 阵列电机的空载损耗降低。 h a l b a c h 型永磁阵列在传统径向磁场电机中的应用已有很多研究，但其在盘 式电机中的应用情况与径向磁场电机有很大差别。 h a l b a c h 型永磁体阵列具有两种加工方式，分别是整体环形冲磁和拼装。本 文中研究的电机采用了拼装h a l b a c h 型永磁体阵列。虽然整体环形充磁可以得到 非常理想的工作特性，但是从已有的加工技术来说整体环形充磁的工艺水平不是 很高，也不完善，技术性能达不到，而且拼装工艺也能得到比较满意的结果，故 目前多采用这种方法。采用拼装方式的h a l b a c h 型永磁体阵列根据每极块数的不 同又可以分成几种不同的结构如：每极2 块、3 块、4 块等。 1 2 第二章盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构及工艺 9 0 0 ；1 0 喜：t ，捩；，1 | 嚣秘，+ ；| i 刁j ， 己l ：壹玉：王兰l ：，t 筻盔：t j 。 | 曼1 、曼喜，曼j ： ；j f l f 。鞠“ 谨遮罐巍。熟差i 囊褰：! 二也芝溅鲢鳞； 渔i 壁巍疆圊鬻撼受兹鹚王蚤。j 图2 - 82 块( 9 0 0 ) 、3 块( 6 0 0 ) 和4g e ( 4 5 0 ) h a l b a c h 型永磁体阵列 2 2 3 盘式无铁心永磁同步电动机的结构特点 本论文的研究对象是盘式无铁心永磁同步电动机，它最大的特点即为其磁钢 的排列形式以及无铁心的构造形式，如图2 - 9 所示。这种电机的外壳为铝壳，转 子部分使用了钕铁硼永磁材料，磁钢采用了一种特殊的排列方式- h a l b a c h 阵 列。电机采用外转子结构，将磁钢直接粘到外壳上，定子铁心采用无铁心结构形 式，直接由绕组注塑而成，形成了外转子的双气隙结构。 此种电机之所以采用这种结构方式主要原因如下： ( 1 ) 在设计时，电机采用外转子结构并将磁场直接粘接到外壳上，可以避免 由磁钢和外壳相互运动所产生的涡流损耗。 ( 2 ) 由双转子构成的双气隙结构形式，可是增强气隙磁场的磁通密度。 ( 3 ) 作为永磁电机为了提高气隙磁密可以从两方面进行改进，一方面是从永 磁材料的选用出发，另一方面可以通过改变磁钢结构和它的排列方式来增加气隙 磁场的磁通密度，因此在综合考虑了永磁材料性价比等各方面因素后，盘式无铁 心永磁同步电动机选用了稀土钕铁硼永磁材料，采用了h a l b a c h 阵列方式，从而 提高了永磁电机磁负荷与力能密度，对于大功率的多极永磁电机效果尤为显著。 ( 4 ) 另外，传统电机中为了减小磁路的磁阻，选用高磁导率的硅钢片叠压制 成铁心，而铁心的存在又导致了体积大、重量大、损耗大、震动噪声大等问题， 本电机利用了钕铁硼永磁高矫顽力的优异特性而不用硅钢片，制成了无铁心电 -_麓 烈镰盟一； 第二章盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构及工艺 机，不但电机重量可以大幅度下降、还可以降低振动噪声，同时效率也可提高。 电枢无槽无铁心，可以减少由齿槽效应引起的电磁转矩脉动，不受饱和的影响， 损耗降低、效率增加，同时质量减轻；双转子构成的双气隙可以克服单边磁拉力， 增加气隙磁密。 。 图2 - 9 盘式无铁心永磁同步电动机基本结构( 1 永磁体2 端盖3 绕线盘) 基于h a l b a c h 阵列的盘式无铁心永磁同步电动机采用了每极4 块的h a l b a c h 永磁体阵列，图2 1 0 和图2 1 1 分别为永磁体结构示意图以及电机主磁路走向示 意图。 图2 1 0 永磁体结构示意图 1 4 图2 - 1 1 电机主磁路走向图 第二章盘式无铁心承蹴同步电动机的基奉结构及工艺 2 2 4 盘式无铁心永磁同步电动机电抠绕组的绕线形式 普通电机电枢绕组绕线方式可以分为三相双层绕组以及三相单层绕组，其中 单层绕组义可以按照线圈形状和端部连接方式的1 i 同分为同心式，链式以段交叉 式【1 i i 。由于选择了h a l b a c h 磁体结构可以得到比较理想的正弦波气隙磁密分布 所以可以选择整距绕组”“。没有了齿槽的限制，线圈单独绕制，为减少线圈绕制 t 作蜃可以选用单层绕组，井且单层绕组还便于整型。单层链式绕组的线嘲具有 相同的节距。从整个绕组的外型来看一环套一环，形如旺链。若利用槽数表示， 则链式线圈的节距应该都为奇数即线圈的一条线圈边若是放在偶数槽里那么 此线圈的另一条边则放在奇数槽里。由于本课题所研究的盘式无铁心永磁同步电 动机不具有铁心故不存在齿槽所以可以将每个线圈边近似看成置放在相应的 虚槽中。单层绕组的每一个虚槽内只有一个线圈边整个绕组的线圈数等于总槽 数的一半。由本电机设计参数可知，每极每相r 的线圈边数q 为2 相数m 为3 极对数口为8 ，可由f 列公式 r 2 1 】 得出盘式无铁心永磁同步电动机绕组的虚槽数q 为9 6 因此总线圈数为槽数的 l 2 ，即4 8 个。图2 - 1 2 为盘式无铁心永磁同步屯动机电枢绕组的结构示意图。 圈2 一1 2 盘式无铁心永磁同步电动机电抠绕组的结构示意圈 现将整个电枢绕组分成4 8 个相带，并将各个相带的虚槽号列成如表2 - 1 所 第二章盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构及工艺 表2 1 各个相带的虚槽号分配 azbxc y n 1 ，s 19 6 ，12 ，3 4 ，5 67891 0 l l n 2 s 2 1 2 ，1 31 4 ，1 5 1 6 1 7 1 8 ，1 92 0 ，2 12 2 ，2 3 n 3 ，s 32 4 ，2 52 6 ，2 72 8 ，2 93 0 ，3 13 2 ，3 33 4 ，3 5 n 4 ，s 4 3 6 ，3 73 8 ，3 94 0 ，4 14 2 ，4 34 4 ，4 54 6 ，4 7 n 5 ，s 54 8 ，4 95 0 ，5 1 5 2 5 3 5 4 ，5 55 6 ，5 7 5 8 5 9 n 6 ，s 6 6 0 6 l 6 2 ，6 3 6 4 6 5 6 6 ，6 76 8 ，6 97 0 ，7 1 n 7 ，s 77 2 ，7 3 7 4 ，7 5 7 6 ，7 77 8 ，7 9 8 0 ，8 l 8 2 8 3 n 8 ，s 88 4 ，8 58 6 ，8 78 8 ，8 99 0 ，9 19 2 ，9 39 4 ，9 5 然后将虚槽号分别为1 和6 ，7 和1 2 ，1 3 和1 8 ，1 9 和2 4 ，2 5 和3 0 ，3 l 和 3 6 ，3 7 和4 2 ，4 3 和4 8 ，4 9 和5 4 ，5 5 和6 0 ，6 l 和6 6 ，6 7 和7 2 ，7 3 和7 8 ，7 9 和8 4 ，8 5 和9 0 ，9 1 和9 6 的线圈边相连，得到1 6 个线圈组，再用极间连线把这 十六个线圈组依次反向串联，即可得到a 相绕组，同理也可得到b 相和c 相绕 组。图2 1 3 为盘式无铁心永磁同步电动机单层链式绕组的展开图。 图2 1 3 单层链式绕组展开示意图 1 6 第二章盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构及工艺 2 3 基于h a l b a c h 阵列的盘式无铁心永磁同步电动机的结构 2 3 1 永磁体以及外转子盘的加工工艺 在加工时，为了严格保证气隙尺寸和转子盘在轴向无跳动，轴承式小端面与 永磁体粘接的大端面应该一次加工成型。同时为了不出现线圈扫膛及轴向摆动过 大的现象发生，转子的外端面也应在严格保证尺寸的情况下进行加工。此盘式无 铁心永磁同步电机采用了4 5o h a l b a c h 型的永磁体排列形式，是双转子单定子结 构，每个转子盘都是由6 4 块形状为等腰梯形的永磁体组成，共有8 对极，因此 每个极下都包括4 块永磁体，并且这4 块永磁体的充磁方向各不相同，每块永磁 体的尺寸及冲磁方向如图2 1 4 所示。 蕊母蕊母 图2 1 4 永磁体的尺寸和充磁方向 盘式无铁心永磁同步电机与传统的径向结构永磁电机不同，粘结后的永磁体 无法通过无纬带类材料绑扎固定，所以粘结剂的选择以及采用何种固定方法都是 非常重要的。在对此种电机的加工中，使用了乐泰3 2 4 胶，此粘结剂的使用最高 温度为1 5 0 c ，其为永磁体专用粘接剂。在功率较小的0 2 5 2 电机中，可以只用 粘结剂，但在粘结过程中使用了自制的卡具，以保证粘结过程中可以产生一定的 压力，使永磁体不会翻起。 由于电机中的h a l b a c h 型永磁体阵列采用了拼装工艺，构成一个永磁体盘的 永磁体块数较多，而且相邻永磁体的磁化方向不同，磁体块之间存在相互作用力， 永磁体的安装定位比较困难，如图2 1 5 ( 左) 所示。考虑到永磁体之间会存在作 用力这个因素，在对永磁体进行安装的过程中我们制作了专门的夹具，用这种专 用夹具来固定永磁体。其操作方法如图2 1 5 ( 右) 所示，先是粘贴其中的一块永 磁体，固定一段时间后再安装其他永磁体组，最后使用专业夹具压平。 制作加工后的转子盘如图2 1 6 所示，当制作较大功率的盘式无铁心永磁同 1 7 第章盘式无铁心7 k 破同步电动机的基乖结构及工艺 步电机时，为r 严格保证电机内部的永磁体不会在运转过程t ，脱落，扯加l 过椰 中除了对永碰体使用粘结剂外，还使用了机械固定方法。同时在水磁体两侧的顶 端靠位分别切割出深和宽各为l m m 的小槽，然后沿圆周用直径为15 2 m m 的 钢丝将永磁体固定。钢丝再与转子盘固定永磁体的台阶焊接数点。 圈2 - l5h a l b a e h 阵列永磁体的安装和定位 图2 1 6 转子盘j l ( 【片 2 3 2 盘式无铁心永磁同步电动机电枢绕组的加工工艺介绍 盘式无铁心永磁同步电动机的无铁心这一特点使得电枢绕组盘的设计和加 工成为十分关键的技术。当今盘形电枢分为印制绕组电枢和线绕组电枢两种，但 是绕线绕组的加工工艺尚未成熟，并且都是小尺寸，, 自n 3 z 价格极高。因此根据盘 式无铁心永磁同步电机自身的特点，有必要对其绕组盘的加工工艺进行深入的研 究，本文介绍了此种电机电枢绕组的整套制作工艺。工艺过程分别包括： r 1 ) 绕线：根据崩纸规定的砸数绕制线圈； ( 2 ) 整形：利用整形胎做成图纸规定的形状； ( 3 ) 嵌线：按照绕组接线图，将线圈放入电枢下线模内，并接线； 第一章盘式无铁心永碰同步电动机的基本结掏驶t 艺 4 ) 绑扎：将线圈小径及大径处用线绑扎牢固； 5 1 脱模：将电枢绕组从电枢线模l 脱下： 6 1 注胶：注模内腔涂脱模剂，将电枢绕组及轴套置于注模内，并注入环氧 ( 7 ) 脱模并整理：在胶充分固化后，打开注模，整理电枢盘 第三章盘式无铁心永磁同步电机的磁场 第三章盘式无铁心永磁同步电机的磁场 3 1 电磁场的基本方程 3 1 1 麦克斯韦方程组 电和磁现象是一个不可分割的统一体，麦克斯韦方程是电磁场的基本方程 组，表达了电磁场的内在规律，是分析和计算电机电磁场问题的出发点和理论基 础。麦克斯韦方程组即可以写成微分形式，又可以写成积分形式。微分形式的麦 克斯韦方程组为【1 3 】： v x h ：j + 罢 ( 3 1 ) d 石 v x e ：一望 ( 3 2 ) a t v b = 0 ( 3 3 ) v d = p( 3 - 4 ) 式中 日磁场强度( 安米) ，传导电流密度( 安米2 ) e 电场强度( 伏米) 刀磁通密度( 特斯拉) d 电位移( 库仑，米2 ) 户自由电荷的体密度( 库仑米3 ) 通常可将( 3 一1 ) 式称为麦克斯韦第一方程，将( 3 2 ) 式称为麦克斯韦第二方程。 对于麦克斯韦方程组的微分形式，它只适用于媒质的物理性质处处连续的空 间。然而在电机中经常要遇到媒质的性质在一个或多个界面处有突变的情况，那 么在突变煤质的界面处会出现场矢量不连续的情况。因而，对于这些交变界面上 的各点来说，麦克斯韦方程组的微分形式已失去意义，而必须利用麦克斯韦方程 组的积分形式来制约有限空间中场量之间的关系。利用高斯定理和斯托克斯定 理，可以由麦克斯韦方程组的微分形式导出积分形式的等价方程组，如下为： 第三章盘式无铁心永磁同步电机的磁场 q 日= ( ，+ 争瓶 q ：e m = 一昙上届心 ab d s = 0 j s 嗔d d s = 工, o d v ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 8 ) 似稳电磁场是一种低频的交变电磁场，当频率厂很低并且场源和观察点之间 的距离较波长短的多时就可以不考虑电磁波传播所产生的滞后问题，此时的位移 电流因其在数值上远远小于传导电流值，因而可以被忽略。因为交流电机的频率 一般都在工频到中频范围内，当在足够精度的程度内时电机的内部磁场满足似稳 条件，所以电机磁场属于似稳电磁场。在电机中一般不存在静止的电荷，故麦克 斯韦方程组可简化为： v h = ， ( 3 - 9 ) vxe ：一塑( 3 - l o ) 0 芒 v o b = 0 ( 3 - 1 1 ) v d = 0 ( 3 1 2 ) 麦克斯韦方程在各种正交坐标系中都适用，分析电机电磁场时常用的是直角 和圆柱两种坐标系，其旋度和散度的表达式分别为： 在直角坐标系中 在圆柱坐标系中 = v 曰：堡+ 堡+ 堡 v x 日= l a r a e ，- aa a ra p h rr h e 习 ( 3 -