稀土永磁无铁芯电机常见结构、原理及发展现状

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稀土永磁无铁芯电机的常见结构、原理及发展现状
张文昌、于功山、王怀杰
（济南吉美乐电源技术有限公司，山东济南）
摘要：本文阐述了稀土永磁无铁芯电机的结构特点；介绍了稀土永磁无铁心电机的常见结构、原理、控制技术以及推广应用。
关键词：稀土永磁、无铁心电机、结构、原理、控制技术、推广
中图分类号：   文献标识码：   文章编号：
1引言
稀土永磁无铁心电机是代表电机行业未来发展方向的一种新型特种电机，采用无铁心、无刷、无磁阻尼、稀土永磁发电技术，改变了传统电机使用硅钢片与绕线定子结构，结合自主研发的电子智能变频技术，使电机系统效率提高到96%以上。
2稀土永磁无铁心电机的常见结构及原理
稀土永磁无铁心电机的常见结构有,轴向磁场稀土永磁无铁心盘式电机；HALBAVH阵列的稀土永磁无铁心同步盘式电机；径向磁场稀土永磁无铁心同步电机；下面将分别逐一介绍。
2.1制吴茱萸轴向磁场稀土永磁无铁心盘式电机基本结构及原理
轴向磁场稀土永磁无铁心盘式电机为克服单边磁拉力，减少漏磁，设计为双转子结构的轴向磁场无铁心永磁盘式电机，其结构示意图如图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；转子有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，沿周向经过转子轭部，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，发热的鞋子驱动转子旋转。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。也就是说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的作用，有利于电机散热。

图1电机结构示意图   图2主磁路示意图
2.2稀土永磁无铁心同步盘式电机HALBAVH阵列的工作原理和特点
HALBAVH阵列的稀土永磁无铁心同步盘式电机结构与轴向磁场稀土永磁无铁心盘式电机结构一致，只是永磁体的排列采用Halbach阵列的形式。
由电机设计原理可知，提高磁负荷既增加电机气隙的磁通密度，可以减小电机体积、提高功率密度。对于永磁电机来说，提高气隙磁密的方法有两种，一是尽可能选用剩磁高的永磁材料，二是改变磁钢排列方式。在价格和性能等因素制约下，后一种方式在磁钢设计中常被应用。
一体化机芯对于永磁同步电机来说，采用常规磁体结构时不能得到理想的气隙磁密分布，只有通过电动机绕组的短距和分布来获得需要的正弦波分布的电势，这无疑又降低了电机的功率密度和转矩密度。
Halbach阵列是一种新型的永磁体排列方式，特别适用于永磁体表面安装的转子结构。永磁体采用Halbach阵列排列方式后，最显著的特点是气隙磁通增强，同时转子轭部磁通减小，并得到正弦波形分布的气隙磁场。这些对减小电机体积和提高电机功率密度十分有利。
Halbach阵列打破了传统的径向、切向磁钢排列方式。它的概念是使磁化矢量的方向作为沿着阵列距离的函数连续旋转。即：每两个相邻磁化矢量在方向上存在着夹角。实际应用中的夹角为45°、60°和90°。这种磁路结构的出现对永磁体同步电机的发展非常有利。盘式电机90°Halbach阵列永磁体阵列剖面图如图3所示。

图3 90°Halbach跨越障碍物阵列永磁体阵列剖面图
2.3径向磁场稀土永磁无铁心同步电机基本结构及原理
径向磁场稀土永磁无铁心同步电机为克服单边磁拉力，减少漏磁，设计为双转子结构的径向磁场无铁心永磁同步电机，其结构图如图4。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；转子有高性能永磁材料与套环粘接。主磁路从一个极出发，径向穿过气隙和与之相对的另一极，沿径向经过转子轭部，再穿过相邻的磁极和径向气隙，最后沿转子轭部闭合，如图5所示。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。

图4电机结构示意图

图5主磁路结构
3. 稀土永磁无铁心电机控制技术
由于稀土永磁无铁心电机的优越性，必将在各行各业应用，但必须有变频调速控制器构成电机系统，才能更好地发挥作用。
永磁电机系统是以电机控制为对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换器为执行机构的电气防误闭锁传动控制系统，根据位置、速度和转矩等反馈信息来进行控制。一般由永磁电动机、传感器和驱动器三部分组成。目前从技术发展动向来看，具有强大数字信号处理功能的DSP迅速替代原单片机作为主控单元进入该领域，其特性不仅可以提高系统的性能，降低成本和功耗，还可以简化外围电路。同时控制理论的应用方面也不仅限于基于稳态模型的标量控制，更多的是采用更先进的矢量控制和直接转矩控制技术。
4. 稀土永磁无铁心电机推广应用
稀土永磁无铁芯电机是一种全新的产品，市场正处于培植期，推广应用还面临不少困难。主要有四方面的原因：
1.社会认知度不高；
大多数用户对该技术不了解，对产品的工作原理、应用效果、可靠性还持怀疑态度。
2.标准规范滞后；
我国在永磁电机方面的标准十分匮乏，稀土永磁无铁芯方面更是空白，严重影响了这类电机的产品选型、性能评估、质量检测等，制约了产品的推广应用。
3.产业化程度还有待提高；
目前，小功率稀土永磁无铁芯电机已批量生产，在小型风力发电、柴油发电、电动工具方面得到了推广应用。但在中、大功率电机上还处于示范阶段。
4.对相应的控制系统要求高，初期投资将较大。
5.结束语
在应对国际金融危机和全球气候变化的大背景下，稀土永磁无铁芯电机必将成为未来电机产业发展的主要方向之一，必将在电机系统节能领域发挥更大的作用。

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本文发布于:2024-09-23 02:25:27，感谢您对本站的认可！

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