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诸暨和创yabo狗亚体育下载科技有限公司

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盘式永磁yabo狗亚体育下载的发展及前景
发布时间:2017-10-09????????浏览次数:129????????返回列表
? ? ? 20世纪80年代以来,随着功率电子器件、电子控制技术的进步及高磁能积稀土永磁材料的出现,给yabo狗亚体育下载带来了“革命”。永磁材料的采用,使yabo狗亚体育下载的拓扑有了多样的变化。在众多类型的永磁yabo狗亚体育下载中,盘式永磁(AFPM)yabo狗亚体育下载是值得注意的一种。与传统的圆柱形yabo狗亚体育下载的径向磁场不同,AFPMyabo狗亚体育下载气隙为平面型,气隙磁场为轴向式,轴向尺寸短,比转矩大,还可以制成多盘结构,特别适合用于轴向空间受限制,或需低速和大转矩性能以实现直接传动的应用场合,如电动车辆、风力发电、伺服驱动、升降机驱动、机器人及一些工业设备。

1??AFPM?yabo狗亚体育下载的发展

1821年,法拉第发明了世上第一台yabo狗亚体育下载,即轴向磁场永磁yabo狗亚体育下载的雏形。受当时材料和工艺水平限制,AFPMyabo狗亚体育下载未能得到进一步发展。在圆柱式盘式yabo狗亚体育下载应用过程中,人们逐渐发现其存在冷却困难及铁心利用率低等弱点,因而20世纪40年代起,AFPMyabo狗亚体育下载重新回归业界视野并得到重视[1]。目前,国外已开发了各种不同结构的AFPMyabo狗亚体育下载,即从较早期的AFPM有刷直流电动机到较近期出现的AFPM无刷直流电动机和AFPM同步电动机等。其应用范围在逐渐扩大,功率等级从数瓦级至近兆瓦级。?

2??AFPM?yabo狗亚体育下载的特点

与普通圆柱式永磁yabo狗亚体育下载相比,AFPMyabo狗亚体育下载有以下特点:

(1)直径与长度之比较大,yabo狗亚体育下载较扁;

(2)气隙为平面型且可调节;

(3)比功率较高,铁心用材较少;

(4)盘式拓扑有利于模块化设计;

(5)铁心直径较大,可采用较多极数,yabo狗亚体育下载适合高频或低速运用。

因而,AFPMyabo狗亚体育下载更适合用于伺服、牵引、分布式发电及特殊应用场合。

?三相永磁同步发yabo狗亚体育下载主要设计参数比较

(a)径向磁场永磁yabo狗亚体育下载

(b)盘式磁场永磁yabo狗亚体育下载

3??AFPM?yabo狗亚体育下载的结构

根据气隙结构,AFPMyabo狗亚体育下载可分为单气隙式、双气隙式或多气隙式。根据定子和转子的相对位置,双气隙式AFPMyabo狗亚体育下载还可采用内转子式(即中间为转子)或外转子式(即中间为定子)等多种结构。表2示出AFPMyabo狗亚体育下载结构型式分类[5]。图2?示出AFPMyabo狗亚体育下载绕组形式。

表2?AFPM?yabo狗亚体育下载结构类型

(a)鼓形(齿绕)????????????????(b)环形(铁心绕)

AFPMyabo狗亚体育下载的定子可设计成有铁心式或无铁心式,铁心可设计成有槽式或无槽式。无铁心式定子便于生产,但由于气隙的增加,需要较多的磁钢;且转速较高、极数较多时,线圈的涡流损耗较大,需采用绞合漆包线[2-3]。采用无槽式铁心,不仅可消除因槽的存在而引起的磁通脉动、齿槽转矩、高频转子损耗及定子齿的饱和现象,还可减小yabo狗亚体育下载振动并降低噪声。

AFPMyabo狗亚体育下载的转子磁钢可采用表面式或埋入式安装。图3?示出相对永磁磁钢极性不同时的磁通路径[6]。

(a)NS?型???????????????????????(b)N?N?型

3.1?单气隙式

单气隙AFPMyabo狗亚体育下载(图4)为单定子和单转子,结构最为简单。因定子和转子吸引力不平衡,需推力轴承,以保证转子不致发生轴向串动;转子盘要加厚,以增加其刚度。另外,转子磁场会在定子中交变,产生损耗,使yabo狗亚体育下载效率降低[1]。

3.2?双气隙式

双气隙式包括双气隙内转子式和双气隙外转子式2种结构。

3.2.1?双气隙内转子式

双气隙内转子AFPMyabo狗亚体育下载(图5)的定子和转子吸引力平衡,?故轴承不承受轴向负荷;定子在yabo狗亚体育下载的外侧,其热量容易被带走;转子的转动惯量最小,适用于伺服传动。虽然所用永磁材料较少,但绕组利用较差。

3.2.2?双气隙外转子式

外转子式结构比内转子式结构更紧凑(图6),但转动惯量比外定子式大。外转子式有许多优点,是目前的主流方式,适用于低速、高转矩的应用场合,如电动车辆、升降机及分布式风力发电等。

外转子式AFPMyabo狗亚体育下载的中间定子铁心一般不开槽(图6(a))。定子绕组可均匀地环绕于铁心上,形成环形绕组;绕组用环氧树脂密封,以提高其刚度及改善散热。当两个转子上的磁钢为N对S时,无需定子轭(磁钢N-N面对时才需要),可采用无铁心方式(图6(b))。

(a)无槽式(b)无铁心式

3.3?多气隙式

盘式永磁yabo狗亚体育下载还可以采用定子和转子交错排列的多气隙结构(图7),以达到增加yabo狗亚体育下载转矩的目的,适用于直接传动的应用场合。这是盘式永磁yabo狗亚体育下载的一大特点,有利于yabo狗亚体育下载模块化设计,降低制造成本。另外,由于转子没有损耗,只需对定子冷却,容易采取液冷等有效措施,显着提高yabo狗亚体育下载的比功率和比转矩[2-?3]。

4?国外AFPM?yabo狗亚体育下载

国外开发了一些中大功率AFPMyabo狗亚体育下载,形成了系列化商品并成功地运用于各个领域。以下列举几个有代表性的生产厂家,并对其产品作简单介绍。

4.1?Lynx?Motion?Technology?公司

美国Lynx?Motion?Technology公司开发了SEMA(SegmentedElectromagnetic?Array)?绕组技术为基础的盘式永磁yabo狗亚体育下载[5],主要生产外径为225~813?mm的产品。表3示出其外径为468?mm单气隙(T468)和多气隙(M468)永磁无刷电动机的主要技术参数

表3?外径为468?mm?的单气隙和多气隙永磁无刷电动机的主要技术参数

该公司生产的盘式永磁yabo狗亚体育下载已商品化,主要用于发yabo狗亚体育下载、精密伺服驱动、机器人、军工、船用、压缩机/风机驱动等。其优点在于:

(1)采用双气隙,消除了转子磁轭,使yabo狗亚体育下载较轻、较小。

(2)气隙中的磁力作用在较大的半径上,能更有效地产生转矩。

(3)电枢绕组绕在线圈架上,无铁心,消除了磁损耗和定、转子间的吸引力,减轻了轴承承受的负荷。

(4)yabo狗亚体育下载采用无齿槽设计,消除了因齿槽引起的磁损耗、齿槽转矩及饱和效应;增加了铜线的有效面积,提高了转矩过载能力,并更有效地利用高矫顽力磁铁;但需要较多的磁钢。

(5)线圈完全由高强度导热环氧填充,不仅赋予其整体性,而且能阻尼来自PWM的高频振动。该方式便于生产,并有利于单气隙和多气隙结构采用相同的部件,按需要的功率或转矩调节模块的数量,实现yabo狗亚体育下载模块化,降低制造成本。

4.2?KONE?公司

芬兰KONE公司于1992年为升降机引入无齿轮yabo狗亚体育下载械传动系统的理念。结构紧凑的低速AFPMyabo狗亚体育下载取消了齿轮箱,引领该领域的技术革新[2,8]。表4?示出630?kg?升降机不同提升技术的比较。可以看出,采用直驱盘式永磁无刷电动机的升降机优势明显。图8(a)所示为应用于一般建筑物上的单气隙盘式永磁yabo狗亚体育下载(MonoSpace),它可用于额定载荷量不大(如不超过1?000?kg)的电梯,被装在电梯的导轨上,取消了电梯通常所需的机器间,节省了空间和费用。对于需要较大转矩和速度的高层建筑,升降机则采用图8(b)所示的内转子双盘式永磁yabo狗亚体育下载(Alta),且一般置于升降轴的顶部。表5?和表6?列出这些yabo狗亚体育下载的主要技术参数[2]。

?(a)单气隙无刷盘式永磁yabo狗亚体育下载?(b)内转子双气隙盘式永磁yabo狗亚体育下载
? ? ? ?4.3?Kestrel?Wind?公司

南非Kestrel?Wind公司开发和生产的低速直驱盘式发yabo狗亚体育下载用于小型风力发yabo狗亚体育下载。由于消除了齿轮箱,风机噪声低,运用可靠且价格低。

4.4?Kaman?Aerospace?公司

美国Kaman?Aerospace?公司开发的PA系列大型盘式永磁无刷yabo狗亚体育下载采用内转子、铁心开槽结构,主要用于石油钻井、船舶、车辆及国防应用领域。由于其结构紧凑、重量轻、效率和可靠性高,特别适合于可移动钻井平台使用。表8示出其PA44系列产品主要技术参数。加拿大Tesco公司生产的ECI顶驱钻井系统(图9)就采用PA44?系列盘式永磁电动机,取代了传统的感应电动机或有刷直流电动机[2]。

(a)总示图?????????????????(b?)带AFPM?同步电动机的动力机组

5?国内盘式永磁yabo狗亚体育下载

我国盘式永磁yabo狗亚体育下载的开发主要是小功率有刷永磁yabo狗亚体育下载,现已形成规模生产,而盘式永磁无刷yabo狗亚体育下载的开发工作仍处于起步阶段。目前,国内已有数家企业生产盘式永磁无刷yabo狗亚体育下载,但规模还较小,产品种类也不多,多为无铁心型。有槽铁心的生产需要特殊的装备,国内目前只有少数几家生产盘式感应yabo狗亚体育下载的厂家有这种设备,且只能绕制直径不大的铁心。采用无铁心方式能避免此种限制,可生产出较大直径的定子盘。如诸暨和创yabo狗亚体育下载科技有限公司生产的直驱盘式永磁风力发yabo狗亚体育下载,即为外转子、无铁心式。该yabo狗亚体育下载具有启动转矩低、额定转速低、效率高等特点,功率为10~5?000?W,额定转速60~200?r/min,启动风速小于1?m/s,特别适合于垂直轴风力发yabo狗亚体育下载组,其5?kW盘式永磁yabo狗亚体育下载的定子盘直径已达到770?mm。表9列出5?kW盘式永磁yabo狗亚体育下载的主要技术参数。

6?发展前景

国外在盘式永磁yabo狗亚体育下载研究上,一方面致力于改进yabo狗亚体育下载性能,如减轻重量、减少损耗、增加功率密度;另一方面,致力于容易制造和批量生产。由此,不断探索yabo狗亚体育下载的有效部分及结构部分采用非传统材料的可能性。在铁心方面,采用非传统铁磁材料,如软磁复合物(SMC)、非结晶磁性材料(AMM)、晶体定向电工钢等[5]。分数槽集中绕组(FSCW)yabo狗亚体育下载生产简单、自动化程度高、端部短,其中分数槽单层集中绕组yabo狗亚体育下载近年来成为国内外的研究热点。这类yabo狗亚体育下载的电感大、互感小,特别适合表贴式yabo狗亚体育下载,以提高电感,满足最佳弱磁的条件,从而提升其弱磁性能。但电枢磁动势中次谐波会大幅度增加,引起yabo狗亚体育下载的磁钢损耗和转子损耗明显升高[9?],由此研究人员致力研究该现象并寻求解决措施。文献[10]比较了两种单气隙FSCWyabo狗亚体育下载,两者均为14对极,每极槽数为2/7。它们有相同的定子,完全由SMC材料制成;但转子不同,一台yabo狗亚体育下载为实心钢转子,而另一台为SMC转子。文中指出,由于SMC有较高的电阻率,限制了转子中的感应电流,SMC转子yabo狗亚体育下载的空载损耗比实心钢转子yabo狗亚体育下载的低19%,效率高12%,且热限制电流实际上翻了一倍。由于转子中的磁饱和效应,yabo狗亚体育下载还存在磁凸极现象。标准的AFPM拓扑由于同步电抗值低,其恒功率范围窄(恒功速比CPSR小于2:1)。通过开发新的AFPM拓扑并以不同途径实现磁场削弱,可使CPSR达到相当高的数值,甚至达10:1。文献[11]提出一种磁场可控的yabo狗亚体育下载(FCAFPM)。在有槽NS?Torus?拓扑yabo狗亚体育下载的两个定子之间放置直流绕组。通过控制直流绕组中电流的正负极性来增加或减少定子绕组交链的磁通。该拓扑特点之一是直流励磁产生的磁通分量只通过铁心,而不通过磁钢,因而即使在磁场深度削弱时,磁钢也没有退磁的危险。一台880?W(1.2?hp)、8极、1?200?r/min样机的试验表明,其CPSR可达3.75。文献[12]报道了基于定子偏移实现磁场削弱机理设计的一台2?kW汽车用无铁心Torus?发yabo狗亚体育下载,该yabo狗亚体育下载要求在600~6?000?r/min(即CPSR=10:1)转速范围提供恒定电压。为满足此要求,定子有2个绕组,二者相串联,被置于固定的机座内,并用低摩擦系数的聚四氟乙烯隔开;每个绕组采用绞合漆包铜导线并用环氧树脂密封;倚靠专门设计的操作器旋转绕组来达到磁场削弱的目的。

7?结语

盘式永磁yabo狗亚体育下载由于其自身的特点,在一些空间受限制、要求低速直驱的场合将得到优先使用,在牵引、分布式电源、伺服、军工等领域有其竞争的空间。盘式

永磁yabo狗亚体育下载的研究和应用在国外已有几十年的历史,而我国在这方面尚处于起步阶段。因此,我国可考虑先开发功率较小的盘式永磁发yabo狗亚体育下载,用于汽车发yabo狗亚体育下载、风力发电、应急发yabo狗亚体育下载组等方面;在此基础上,开发盘式永磁无刷电动机和发yabo狗亚体育下载,不仅可用于电动车辆,也可派生用于其他领域,如节能型风机、压缩机等驱动。盘式永磁无刷yabo狗亚体育下载还可以向大功率、高转速方向发展,以便用于更多领域。

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