复合材料在轴向磁场永磁风力发电机中的应用

一、引言

用于低速直驱风能系统的径向磁场永磁同步发电机的外形是一个扁平的大圆盘，这种电机的定子内径大、转子尺寸和转动惯量也大。这对平抑风力起伏引起电动势的波动是有利的，但也对电机控制提出了更高的要求。另外，直驱式永磁同步发电机通常比传统发电机质量要大、经济性要差。为了在商业上更具竞争力，必须对低速大直径的发电机在成本、功率密度和效率等方面进行优化。

众所周知，如果电机的极数足够多，轴向长度与外径的比率足够小时，轴向磁场电机比传统径向磁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、定子绕组散热条件良好的优点，还可以做成多定子、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。

轴向磁通电机的主要缺陷与定子铁心的制造有关。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，会遇到叠片之间的短路问题，当绕制冲好槽的叠片带时，存在预先打孔的槽难以对齐的问题。用压制的软磁复合（以下简称sMc）材料做成的铁心为上述难题提供一个解决的办法。

近来，sMc材料低频特性的改善使得它在电机设计应用中获得了广泛的兴趣。sMc材料和粉末冶金挤压加工的独特优点是：它使复杂结构容易成形，克服传统的有槽叠片定子铁心制造中的一些缺陷。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，这限制了设计的可能性。在sMc材料中绝缘的铁粒可以产生等方性的磁性能。因此，在磁极组件设计中可以获得三维磁路，为电机设计者提供了新的设计方法。

二、轴向磁场电机的结构特点

1、轴向磁场电机存在的缺点

轴向磁场电机的磁场是轴向的，定、转子在电机中对等放置，定、转子均为圆盘形，因此也称为盘式电机。定子铁心一般由双面绝缘的冷轧硅钢片带料冲制卷绕而成，在硅钢带上，每隔一定距离冲出一个形状尺寸完全相同的槽，在保证对应槽一一对齐的条件下经卷绕便可形成端面带有下线槽的定子铁心。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，轴向电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定子铁心本身结构的独特性，硅钢片的厚度极薄，为0.5～1.0mm，因而在圆周自动成形上或多或少都存在着如下问题：对齐槽孔两边的硅钢片呈“喇叭口”张开状；铁心在卷绕成形中，在卷绕机刚度不足的情况下，往往出现压紧不实的现象；还存在预先打孔的槽难以对齐的问题。

2、基于软磁复合材料（sMc）的电枢铁心

由于磁路几何结构，轴向磁场电机采用叠片技术制造铁心比较困难，两种方法可以解决叠片铁心的困扰：一是采用实心体进行加工或采用印制的铁心；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；采用高性能的水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。只有在要求重量轻、效率高的塑性轴向磁场电机中得到了应用。

为了克服叠片铁心制造的困难，定子铁心采用SMC实心圆柱体加工而成。在实心的圆柱体上开了许多槽用来安好电枢绕

组。将绕组制造成一个集中绕组，这可以使相绕组的端部连接缩短，绕组电阻减小，因而可以降低铜耗。

三、SMC材料的特性

在轴向磁场电机中所用SMC：材料由表面盖有绝缘薄膜的软磁铁粉粒压制而成。将具有良好磁性能的高纯度铁粉与树脂粘合济混合在一起，经过处理后产生一种具有高密度和高强度且压缩性极好的物质。首先将铁粉和润滑剂混合物进行挤压，在挤压过程中，在粉末间产生了应力，这可以通过在足够高的温度下，对组合件进行热处理来释放。铁粉粒在电气上彼此绝缘，确保SM（：材料有一个高的电阻率。SMC材料的电阻率、机械性能和磁性能取决于铁粉粒的大小、密度、绝缘层厚度、挤压过程和热处理周期。因此可以调节sMc材料的特性以适合某些应用的特殊要求。

一般说来，SMC材料的饱和磁密和相对磁导率低于硅钢片，如图2所示。造成磁导率低的原因是在SMC组件中的磁通必须不断地通过铁粉粒之间的非磁性绝缘。将sMc材料用于电机中，因其电阻率高，它产生的涡流损耗低于硅钢片材料的电机。然而，采用SMC：材料的电机，其磁滞损耗要高些。SMC材料和硅钢片所产生的总的铁耗比较，如图3所示。SMC损耗高的另一个原因是由于sMc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SMc定子铁心应该进行很好的压制。

四、SMC材料在直驱式永磁同步风力发电机中的应用

虽然SMC材料与硅钢片相比，相对磁导率低，铁心的磁滞损耗大。然而由于直驱永磁风力发电机本身的特点，SMc材料的相对磁导率低可以得到改善。

（1）在直驱式风能转换系统中，发电机的运行转速较低，因此SM（：材料的高铁心损耗可以得到弥补。在各种额定功率和额定风速下，发电机的运行频率通常在30～80Hz。在这运行频率下的铁心损耗并不是直驱式永磁风力发电机总损耗的主要来源，这些损耗只占总损耗的一小部分。特别是与定子铜耗相比，就更少了。因此sMc材料的高铁心损耗在永磁风力发电机的设计中是允许的。

（2）在永磁风力发电机设计中，由于永磁体安装在转子表面，有效气隙较大，磁路的磁阻本身较大，因此设计时对sMc材料的低磁导率不敏感，因而弥补SMC材料的相对磁导率较低。

（3）在电机设计中，所需最小定子轭厚度与极数成反比，因此在直驱永磁风力发电机中，所需的轭厚通常较短，磁路也要短些。尤其是在轴向磁场电机中，磁通轴向通过位于中央的没有轭的定子或转子，通过外转子或外定子轭部返回以完全消除中间定子或转子的磁轭，这可以使磁路也有助于弥补SMC：材料的相对磁导率较低的不足。

本文基于SMC设计了一个有两个外转子、一个内定子的轴向磁场（以下简称AFPM）永磁风力发电机。额定数据为：1.75kw，210V，28极。使用有限元法将基于SMC的轴向永磁风力发电机与采用硅钢片定子铁心的AFPM风力发电机进行了比较，如图4所示。可以看出：尽管SMC的相对磁导率较低，然而两种不同铁心的气隙磁密相差并不是很大。

五、结语

运行速度低、极数多并且永磁体安装在转子表面的特点都有利于将SMC材料应用于永磁风力发电机的设计中。再者，在双转子单定子结构中，磁通从一个转子通过气隙进入定子后再通过气隙进入另一个转子，可以取消中间定子的磁轭，使磁路进一步缩短，以弥补SMC磁导率低的不足。尽管SMC材料的磁导率低，铁心损耗大，但使用SMC代替硅钢片铁心的其它许多优点完全可以弥补这个不足。

SMC铁心部件的压制是关键，SMC组件的加工会使性能下降，因此还需要进一步研究。