轴向磁场无铁心永磁电机电磁力及转子机械强度的研究

曹永娟， 黄允凯， 金 龙

(1.东南大学电气工程学院，江苏南京 210096;

2.南京信息工程大学电气工程系，江苏南京 210044)

轴向磁场无铁心永磁电机电磁力及转子机械强度的研究

曹永娟1，2， 黄允凯1， 金 龙1

(1.东南大学电气工程学院，江苏南京 210096;

2.南京信息工程大学电气工程系，江苏南京 210044)

轴向磁场永磁电机因其结构紧凑、功率密度高等优点获得越来越多的应用，对于无铁心轴向磁场永磁电机，转子盘体之间的轴向电磁力有可能会引起转子的变形，从而影响电机运行的可靠性。研究了轴向磁场无铁心永磁电机的电磁场及转子的机械强度，利用有限元分析方法和解析方法计算了电机两个外转子之间的电磁力。将该电磁力作用于转子盘上，利用结构有限元分析方法仿真分析转子盘体应力及最大变形，为转子结构的优化设计提供依据。

轴向磁场;无铁心;轴向电磁力;应力分析

0 引言

轴向磁场永磁同步电机因其较高的转矩密度和良好的动态响应特性，在各种驱动、伺服和控制领域得到了迅速推广和应用［1-2］，轴向磁场永磁同步电机有多种结构形式，按照定转子数量和相对位置可大致分为4种:单定子单转子结构，双转子单定子结构，双定子单转子结构及多盘式结构［3］。为了克服单边磁拉力，减少漏磁，本文研究的是一种中间定子结构，其特点是由双转子和单定子组成的双气隙结构，电机结构对称，两侧的永磁体N-S对等放置，此结构的磁通不需要利用中间定子铁心来形成闭合磁路，因此定子铁心厚度可以非常小，由此衍生出轴向磁场无铁心永磁电机。该电机由于定子无铁心无槽，所以没有齿槽转矩和定子铁心损耗，因此具有更高的效率;而且重量更轻，功率密度更高。

很多文献已经报道了轴向磁场无铁心永磁电机的相关研究［4-7］，主要集中在电磁分析、性能计算及优化设计等方面。在对轴向磁场无铁心永磁电机优化设计过程中，以功率密度为优化目标，如果不考虑机械强度的限制，仅从电磁场角度优化设计，设计的结果可能使转子盘体很薄。在电机运行过程中，转子盘体受到轴向电磁力的作用，在该力的作用下，很薄的盘体将产生轴向变形，变形过大将影响电机的正常运行。因此，在轴向磁场无铁心永磁电机优化设计过程中，准确分析转子盘体受力及最大变形非常重要。本文利用有限元分析方法和解析方法对轴向磁场无铁心永磁电机的电磁场、轴向电磁力进行分析计算;利用结构有限元分析方法对转子盘体应力分布及变形进行研究，为轴向磁场无铁心永磁电机的优化设计提供保障和依据。

1 轴向电磁力的分析与计算

1.1 利用有限元方法计算轴向电磁力

轴向磁场永磁电机气隙磁场在定转子结构上产生轴向电磁力，引起电机结构振动并产生噪声，即电磁噪声。为了计算轴向磁场永磁电动机气隙中的电磁力，首先应计算轴向磁场永磁电动机的电磁场分布，轴向磁场永磁电动机磁场分布比较复杂，加上轴向磁场电机结构的特殊性，使得分析电磁场时不能像常规径向电机那样在电机主轴上截取某一平面分析二维电磁场，而必须从三维场的角度考虑问题。

有限元分析软件ANSOFT Maxwell 3D通过建立电机三维模型，定义材料属性，设定求解边界，网格划分等步骤，可自动求解气隙磁密，转矩及电磁力等参数。

图1所示为所研究的轴向磁场无铁心永磁电机的三维模型，转子盘上的扇形永磁体由高磁能积、高矫顽力的钕铁硼所构成，对其轴向充磁，相对两块极性相反，同一盘体上相邻两块极性也相反，磁通从一块转子盘1上永磁体N极出发，经过中间无铁心定子，到达另一块转子盘2上的S极，N极，最后回到转子盘1上的S极，如此形成一个闭合磁路。无铁心定子绕组由三相分布绕组所构成，通过环氧树脂固化。

图1 轴向磁场无铁心永磁电机三维模型

电机主要的尺寸如表1所示。

表1 电机主要尺寸参数

通过ANSOFT软件的后处理功能，气隙磁密波形如图2所示，最大磁密为0.63 T。在转子盘上设置参数“force”，后处理中可以得到如下结果:

从结果表达式(1)中，可以看出Z轴分量为电磁力的主要分量，即电磁力主要是沿着轴向方向的。

图2 气隙磁场密度分布波形

1.2 利用解析公式计算轴向电磁力

轴向电磁力也可以由解析公式计算得到［4］:

式中:Bmg——气隙磁密最大值;

μ0——气隙磁导率。

从图2可看出，样机的最大磁密值为0.63 T。

SPM为永磁体所占有效面积:

式中:αi——极弧系数，本样机取为 0.8。

比较计算结果(1)和(4)，可以看出，通过解析公式计算出来的结果与利用有限元软件后处理功能计算出来的结果是一致的。

2 转子盘体机械强度分析

电机关键零部件的机械强度及结构刚度的分析计算是电机结构设计的一个重要部分，是保证电机安全运行的一个重要手段。转子盘体是轴向磁场无铁心永磁电机的核心部件，其机械强度的优劣直接影响轴向磁场电机的正常运行及可靠性。在保证转子盘体刚度、强度的基础上应尽量减小其轴向长度，缩小电机的整体体积，增加电机的功率密度，这是电机优化设计的任务之一。在分析轴向电磁力等基础上，运用ANSYS有限元分析软件对转子盘体的应力和变形分布规律进行分析研究，为转子结构的优化设计提供依据，对提高无铁心盘式永磁电机的功率密度具有重要意义［4］。

为了观察由于轴向磁拉力所引起的最大应力和变形，本文利用ANSYS有限元分析软件中的静态有限元分析功能来实现分析。转子盘体的材料特性如下:弹性模量为200 GPa，泊松比为0.27。ANSYS软件可以按用户的需要自动生成各种网格，本计算选取20节点三维六面体单元SOLID92，对模型进行智能网格划分;然后将大小为1 550 N的轴向磁拉力施加于转子盘体表面所有节点上，对其进行静态有限元分析，如图3所示。

图4显示出了所分析样机的应力分布及变形，从图4可以看出，在1 550 N轴向磁拉力作用下，6 mm厚的转子盘体最大变形为0.067 8 mm，最大应力为492.908 kPa，可满足转子盘体机械强度的要求。

3 结语

利用有限元分析软件，建立了无铁心轴向磁场永磁电机的三维模型，通过后处理功能，获得电机气隙磁通密度及轴向磁拉力;利用解析计算方法，也可获得轴向磁拉力大小;经过对比分析，有限元方法和解析方法求解结果一致。

利用ANSYS有限元分析软件，建立轴向磁场无铁心永磁电机转子盘体三维模型，施加相应的轴向磁拉力，对其进行结构分析，得出整个转子盘体的应力及变形分布，为转子结构的优化设计提供了依据，对提高无铁心轴向磁场永磁电机的功率密度具有重要意义。

［1］EASTHAM J F，PROFUMO F，TENCONO A，et al.Novel axial flux machine for aircraft drive:Design and modeling［J］.IEEE trans on magnetics，2002.

［2］CHAN T F.An axial-flux permanent-magnet synchronous generator for a direct-coupled wind-turbine system［J］.IEEE trans on energy conversion，2007，22(1):86-94.

［3］AYDIN M，HUANG S，LIPO T A.Torque quality and comparison of internal and external rotor axial flux surface-magnet disc machines［J］.IEEE transactions on industrial electronics，2006，53(3):822-830.

［4］GIERAS J F，WANG R J，KAMPER M J.Axial fulx permanent magnet brushless machines［J］.Springer Science+Business Media B V，Norwell，2008:153.

［5］JAVADI S，MIRSALIM M.A coreless axial-flux permanentmagnet generator for automotive applications［J］.IEEE transactions on magnetics，2008，44(12):4591-4598.

［6］LOMBARD N F，KAMPER M J.Analysis and performance of an ironless stator axial flux PM machine［J］.IEEE transactions on energy conversion，1999，14(4):1051-1056.

［7］唐任远.现代永磁电机理论与设计［M］.北京:机械工业出版社，2000.

Research on Axial Magnetic Force and Rotor Mechanical Stress of an Air-Cored Axial-Flux Permanent Magnet Machine

CAO Yongjuan1，2，HUANG Yunkai1，JIN Long1
(1.School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China;
2.Department of Electrical Engineering，Nanjing University of Information Science＆ Technology，Nanjing 210044，China)

Due to its compact construction and high power density，the axial-flux permanent-magnet(AFPM)machine with coreless stator has obtained more and more attention and interest from researchers.For an AFPM machine with coreless stator，the axial magnetic attraction force may cause the rotors'deflection and affect the machine's reliability.The magnetic field and the rotor mechanical strength of a coreless stator AFPM machine were studied.Finite-element method and analytic method were both used to calculate the axial attraction magnetic force between the two rotor discs.Structure finite-element analysis was used to simulate the maximum stress and deflection due to the axial magnetic force.The research was very significant to the power density elevation of the AFPM machine.

axial-flux permanent-magnet(AFPM);coreless stator;axial magnetic force;stress analysis

TM 351

A

1673-6540(2012)09-0010-03

2012-02-23