软磁复合材料在轴向磁场永磁风力发电机中的应用

（ Ｍ）ｗ ｎ ｅ ｅａ ｒ ｆ ｉ ｃ－ ｒ ｅ ｉｄ ｅ ｅｇ ｏ ｖ ｒｉ ｙ ｔ ． ｈ ｏ ｆ ｕａｉ ａ ｒｓｏ ａ ｉ ｕ Ｍ ｓｎ Ｐ ｉｄｇ ｎ ｒｔ ｓ ｏ ｄｒ ｔ ｄ ｖ ｎ ｗ ｎ ｎ ｒ ｃ ｎ ｅｓ ｎ ｓｓ ｍｓ Ｔ ｅ ｃ ｎｉ ｒｔ ｎ ｆ ｔ ｅ ｆ ｘ ｌ ｘ Ｐ ｙ — ｏ ｒ ｅ ｉ ｙ ｏ ｅ ｇ ｏ ｅｕ ａｆ ｌ
轴 向磁 通 电机 的主要 缺 陷与定 子铁 心 的制造 有
１轴 向磁 场 电机 的结 构 特 点
１轴 磁 电存 的点 ． 向 场 机 在 缺 １
收 稿 日期 ：０ ９ ０ — ２ ２０ — ３ ０ 改 稿 日期 ：０ ９ ０ — １ ２０ — ５ １
翠
轴 向磁场 电机 的磁 场 是轴 向 的 ， 、 子 在 电机 定 转
关键词 ： 轴向磁场 ； 永磁 电机 ； 风力发 电机 ； 软磁组合件
中 图分 类号 ： Ｍ ３ １ Ｔ ５ 文 献标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ４ ７ １ （ ００ ０ — ０ １ ０ １ ０ — ０８ ２ １ ） １ ０ ２ — ３
Ａｐｐｌ ａ ｉ ｎ ｆＳｏ ｔ Ｍ ａ ｎｅ ｉ ｍ ｐ ｓｔ ｓ Ｍ ａ ｅ ｉ ｌｉ ｉ ｌＦｌ ｉ ｔｏ ｏ ｆ ｃ ｇ ｔｃ Ｃｏ ｏ ｉｅ ｔ ｒａ ｎ Ａｘ ａ ｕｘ ＰＭ ｉ ｎｅ ａ ｏ ｓ Ｗ ｎｄ Ｇｅ ｒ ｔ ｒ
ｓｆ ｍ ｇ ｅ ｃ ｍ ｏ ｉ ｓ Ｓ ）ｍａ ｒ ｌ ｗ ｒ ｔｅ ｉ ｕ ｓｄ Ｆｎ ｌ ，ｏ ｐ ｒ ｏ ｓｂ ｔ ｅ ｎ Ａ Ｐ ｉｄ ｇ ｎ ｒｔｒ ｅｉ ｓ ｏ ａ ｎ ｔ ｏ ｐ ｓ ｅ （ ＭＣ ｔ ｔ ｔ ｉ ｓ ｅｅ ｈ ｎ ｄｓ ｓ ． ｉ ｌ ｃ ｍ ａ ｓｎ ｅｗ ｅ Ｆ Ｍ ｗ ｎ ｅ ｅａｏ ｄ ｓ ｎ ｅａ ｃ ｅ ａｙ ｉ ｇ
苹
＼
内径 大 、 子 尺寸 和 转 动 惯 量 也 大 。这 对 平抑 风力 转
用压 制 的软磁 复合 （ 以下 简 称 Ｓ ＭＣ） 料 做 成 的铁 争 材 ＼
起伏 引起 电动 势 的波 动 是 有 利 的 ， 也 对 电机控 制 但 提 出 了更 高 的要求 Ｊ 。另 外 ， 驱 式 永 磁 同 步发 电 直
Ｄ ＮＧ Ｑｕ ｌ ｇ ， Ｕ Ｎ ｈ ｕ ｄ ｏ ， Ｕ Ｚ ｉｗ ｉ， Ｅ ｅ Ｅ ｉ—ｉ Ｈ Ａ Ｇ Ｓ ｏ — ａ Ｘ ｈ— ｅ Ｐ ＮＧＬ ｉ ｎ ‘ （ ． ｕ ａ ｎｔｕｅｏ Ｅ ｇｎｅｉ ， ｉ ｇ ｎ４ １ Ｃ ｉａ２ Ｈｕ ａ ｎｖｒｉ ， ｈ ｎ ｓａ４ ８ ， ｈｎ ） １ Ｈ ｎ ｎＩｓ ｔｔ ｆ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｘａ ｔ １ ｈｎ ；． ｎ ｎＵ ｉ ｓｙ Ｃ ａ ｇｈ ０ ２ Ｃ ｉａ ｉ ｎ ｎａ １ ， １０ ｅ ｔ １ ０
耗 比较 ， 图 ３所 示 。Ｓ Ｃ 图３ Ｍ 如 Ｍ ｓ ｃ和硅钢片 损耗 高 的 另 一 个 原 因是 由 在不同磁密下的铁耗比较 于Ｓ ＭＣ铁 心加 工 表 面 上铁 粉粒 之 间的绝缘 被 损坏 ， 因而 使 其 表 面 的涡 流损 耗 过大 。因此 Ｓ ＭＣ定子铁 心应 该进 行很好 的压制 。
方 法 。
条
机通 常 比传统 发 １ 质 量 要 大 、 济性 要 差● 舟 壹 电机 经 茹 。为 了 设计辫 中获 得 了 广 泛 的 兴 趣 。Ｓ Ｃ材 料 和 粉 末 应用 Ｍ 姆 毒． 串
软磁
在成 本 、 功率 密度 和效 率等 方面 进行 优化 。
众所 周知 ， 果 电机 的极数 足够 多 ， 向长度 与 如 轴
低 于硅 钢 片 ， 图 ２所 示 。 如
定 子铁 心本 身结构 的独特 性 ， 钢 片的厚度 极薄 ， 硅 为
造成 磁 导 率 低 的 原 因是 在 巳
Ｓ ＭＣ组 件 中 的磁 通 必须 不 断地 通 过 铁 粉 粒 之 间 的 非
Ｏ ５～１０ｍｆ 因而 在 圆周 自动 成 形 上或 多 或 少 都 ． ． ｒ， ｌ
绍 了轴 向磁场永磁 电机 的结构 特点 ； 然后介绍 了 Ｓ ＭＣ材料 的特 性 ， 讨论 了 Ｓ Ｃ材料在永 磁风 力发 电机设计 中 的应 Ｍ
用 ； 后 使 用 有 限 元 法 将 基 于 Ｓ 的 Ａ Ｐ 风力 发 电 机 与 采 用 硅 钢 片 定 子铁 心 的 Ａ Ｐ 风 力 发 电 机 进 行 了 比较 ， 最 ＭＣ ＦＭ ＦＭ 证 明 了所 提方 案 是 可行 的 。
ｗ ｔ ＭＣ ａ ｄ ｓｅ ｌｓ ｔｒ ｃ ｒ ｓ ｗ ｒ ｄ ｓｎ ｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔ ａ ａｙ ｅ ． ｈ ｅ ｕ ｔ ｖ ｒ ｙ ｔ ｅ ｆａ ｉ ｉ ｔ ｆ ｔｅ ｐ ｏ ｏ ｅ ｉ Ｓ ｎ ｔ ｅ ｔ ｏ ｏ ｅ ｅ ｅ ｍａ ｅ ｕ ｉ ｇ ｆ ｉ ｅｅ ｎ ｎ ｌｓ ｓ Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｅ ｆ ｈ ｅ ｓｂ ｌ ｙ ｏ ｈ ｒ ｐ ｓ ｄ ｈ ａ ｉ ｅ ｓ ｉ ｉ
触 持电棚 ２０ 第 期 ０ 年 １ １
软磁 复 合 材 料 在 轴 向磁 场 永磁 风 力发 电机 中 的应 用
邓秋玲 ， 守道 许 志伟 彭 磊 黄 ， ，
（ ．湖南工程学 院 ， １ 湖南湘潭 ４ １０ ；．湖南大学 ， １ １１２ 湖南长沙 ４ ０ ８ ） １０２ 摘 要： 讨论 了 Ｓ Ｃ在直驱风 能转换 系统 中的轴 向磁 场永磁 （ Ｆ Ｍ） Ｍ Ａ Ｐ 同步风力 发 电机设计 中的应用 。首先介
３Ｓ ＭＣ材 料在 直 驱式 永磁 同步风 力 发 电机
中的 应 用
虽然 Ｓ ＭＣ材 料 与硅 钢 片 相 比 ， 对磁 导率 低 ， 相
铁 心 的磁 滞损耗 大 。然而 由于直 驱永 磁风力 发 电机
在 要求 重量轻 、 效率 高 的 塑性 轴 向磁 场 电机 中得 到
了应用 ｊ 。 为 了克 服 叠 片铁 心制 造 的困难 ， 子 铁心 采 用 定
存 在着 如下 问题 ：对 齐槽 孔 两 边 的硅 钢 片 呈 “ 叭 喇 口” 开状 ； 心在 卷 绕 成形 中 ， 卷绕 机 刚度 不 足 张 铁 在 的情况 下 ， 往 出现压 紧不实 的现象 ； 往 还存 在预 先打
孔 的槽难 以对齐 的问题 。
１ ２基 于软磁 复合材 料 （ ＭＣ） ． Ｓ 的电枢铁 心 由于磁路 几 何 结构 ， 向磁场 电机采 用 叠 片技 轴 术 制造铁 心 比较 困难 ， 两种 方 法 可 以解 决 叠 片铁
心 的 困扰 ： 是采用 实 心 体进 行 加 工 或采 用 印 制 的 一
铁心； 二是 采 用 无 铁 心 或 近 似 无 铁 心 的磁 路 结 构 。
这 两种方 法 的可行 性 都 是建 立 在 新 材料 的获取 上 ： 用 软磁粉 末复合 材料 通过加 工处 理进行 三维 定型 或 直 接通过 压制 过程 来 制造 定 子 铁 心 ； 用高 性 能 的 采 永磁体 和具有 良好热 性能 和机 械性能 的塑性 材料 来 减 小或取 消铁 磁 材料 的 使 用 。 目前 由 于成 本 的 原 因， 塑性 材料很 少 作 为 电机 的结 构件 来 使 用 。 只有
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｉ ｐ ｐ ｒｄ ｓ ｕ ｓ ｓ ｔｅ ａ ｐ ｉ ａｉｎ ｏ ｏ ｇ ｅｉ ｏ ｏ ｉ ｓｍａｅ ｉｌ ｅ ｄ ｓｇ ｆ ｅ ｍａ ｅ ｔ ｇ ｅ ｓ ｒ ｃ ： ｈ ｓ ａ ｅ ｉ ｓｅ ｈ ｐ ｌ ｔ ｆｓ ｆ ｍａ ｎ ｔ ｃ ｍｐ ｓｔ ｔｒ ｓｔ ｔ ｅ ｉ ｎ ｏ ｒ ｎ ｎ ｃ ｃ ｏ ｔ ｃ ｅ ａ ｏｈ ｐ ｍａ ｎ ｔ
外径 的 比率足 够小 时 ， 向磁 场 电机 比传 统 径 向磁 轴
场 电机 在 转 矩 和 功 率 密 度 方 面有 较 大 的优 势 。 轴 向磁 场永磁 电机 还 具 有 转 动 惯 量 小 、 子 绕 组散 定
热条 件 良好 的优点 ， 可 以做成 多定 子 、 还 多转 子 的多 气 隙结 构 ， 以提 高输 出功 率 。因此 轴 向永 磁 同步 发 电机适 合应用 于直驱 风能 转换 的场 合 。
在商 业上 更具 竞争 力 ， 须对 低 速 大 直 径 的 发 电机 必
心为 上 述难 题提 供一 个解 决 的办 法 。 近来 ，ＭＣ材料 低频 特 性 的改善 使 得 它 在 电机 Ｓ 冶金 挤 压加 工 的独 特 优 点 是 ： 使 复 杂结 构 容 易 成 它
形 ， 服传 统 的有槽 叠 片定 子 铁 心 制 造 中 的一 些 缺 克 陷。在 硅钢 片叠 片 铁 心 的 电 机 中 ， 在平 面磁 路 中可 获得 良好 的磁性 能 ， 它产 生 的是一 个二 维磁 路 ， 限 这 制 了设 计 的可 能 性 。在 Ｓ ＭＣ材 料 中绝 缘 的铁 粒 可 以产生 等方 性 的 磁性 能 。因 此 ， 磁 极 组件 设 计 中 在 可 以获 得 三维 磁路 ， 电机 设 计 者 提 供 了新 的设 计 为
中对等放置， 转子均为圆盘形， 定、 因此也称为盘式 ！ 用
基金项 目： 国家科技支撑计划课题（ ０ ６ Ａ ０ Ａｌ ） ２ ０ Ｂ Ａ １ ３ 湖南省科技计划重大专项（ ０ ６ １０ ） ２ ０ ＧＫ ０ ２
冲 绕誊 硅带，一距 ！ 嚣卷 钢上 定誓兰 囊成 制 而， 篱 离出个 在 每 隔 冲一
ｍｅｈｏ ． ｔ ｄｓ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ：ｘｉｌｆｕ ＰＭ ｃ ｎ ｗｉ ｄ ｇ ｎｅ ａｏ ； ｏｔｍａ ｎｅｉ ｏ ｐ ｓｔｓ ｄ ａ ａ ｘ； ｌ ｍａ ｈｉｅ； ｎ ｅ ｒ ｔｒ ｓ ｆ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ｔｃ ｃ ｍ ｏ ｉｅ
＼
０引 言
用 于低速 直驱 风能 系统 的径 向磁 场永 磁 同步发
触持电棚 ２０ 第 期 ０ 年 １ １
形状 尺寸完 全相 同 的槽 ， 保 证 对 应槽 一 一 对 齐 的 在 率 。Ｓ ＭＣ材料 的电 阻率 、 机械 性 能 和磁 性 能取 决 于
条 件下经 卷 绕 便 可 形 成 端 面 带 有 下 线 槽 的定 子 铁
铁粉粒 的 大小 、 度 、 缘 层 厚度 、 压 过 程 和热 处 密 绝 挤 理周期 。因此可 以调 节 Ｓ Ｃ材 料 的 特性 以适 合 某 Ｍ
些应用 的特殊要 求 。
一
心 。定子绕 组有 效导 体在 空间上 呈径 向分布 。转子
为 高磁 能积 的永 磁体 ， 固定 在 圆盘形铁 心上 ， 向电 轴
机 定子 的铁心 加工是 电机 制造 的关键 。 在 实 际生 产 中 ， 由于 冲裁 工 艺 的种 种 不足 以及
般 说来 ，ＭＣ材料 的饱 和磁 密 和相 对 磁 导率 Ｓ
电机 的外 形是 一个 扁 平 的 大 圆 盘 ， 种 电机 的定 子 这
关 。定 子铁 心是 通过将 硅 钢 片带料 卷绕 后再 进行槽
加工 或将 冲好 槽 的硅 钢 片带料 卷绕 而成 。在槽 加工
过程 中 ， 会遇 到叠 片之 问 的短路 问题 ， 当绕制 冲好槽 的叠 片 带 时 ， 在 预先 打 孔 的槽 难 以 对 齐 的 问题 。 存
ｃ ｒ ｎ ｕｓｇ ｎ ｒ ｔｒ ｒ ｒｔｉｔｏ ｕ ｄ．Ｔｈ ｈａａｃｅ ｉｔｃ ｎ ｔ ｐ ｉ ａ ｌｔ ｏ ｔ ｅ ｅ ｉｎ ｏ ｈ ｏ ｏ ｅ ｅ ａｏ ｓ ｗｅ ｅ ｆ ｓ ｎ ｒ ｄ ｃｅ ｉ ｅ ｃ ｒ ｔ ｒｓｉｓ ａ ｄ ｈｅ ａ ｐｌｃ ｂｉｉｙ ｔ ｈ ｄ ｓｇ ｆＰＭ ｎ ｇ ｎｅ ａｏ ｓ ｆ ｗｉｄ ｅ ｒ ｔｒ ｏ