一、引言

用于低速直驅(qū)風(fēng)能系統(tǒng)的徑向磁場(chǎng)永磁同步發(fā)電機(jī)的外形是一個(gè)扁平的大圓盤，這種電機(jī)的定子內(nèi)徑大、轉(zhuǎn)子尺寸和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也大。這對(duì)平抑風(fēng)力起伏引起電動(dòng)勢(shì)的波動(dòng)是有利的，但也對(duì)電機(jī)控制提出了更高的要求。另外，直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)通常比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)質(zhì)量要大、經(jīng)濟(jì)性要差。為了在商業(yè)上更具競(jìng)爭(zhēng)力，必須對(duì)低速大直徑的發(fā)電機(jī)在成本、功率密度和效率等方面進(jìn)行優(yōu)化。

眾所周知，如果電機(jī)的極數(shù)足夠多，軸向長(zhǎng)度與外徑的比率足夠小時(shí)，軸向磁場(chǎng)電機(jī)比傳統(tǒng)徑向磁場(chǎng)電機(jī)在轉(zhuǎn)矩和功率密度方面有較大的優(yōu)勢(shì)。軸向磁場(chǎng)永磁電機(jī)還具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、定子繞組散熱條件良好的優(yōu)點(diǎn)，還可以做成多定子、多轉(zhuǎn)子的多氣隙結(jié)構(gòu)，以提高輸出功率。因此軸向永磁同步發(fā)電機(jī)適合應(yīng)用于直驅(qū)風(fēng)能轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合。

軸向磁通電機(jī)的主要缺陷與定子鐵心的制造有關(guān)。定子鐵心是通過將硅鋼片帶料卷繞后再進(jìn)行槽加工或?qū)_好槽的硅鋼片帶料卷繞而成。在槽加工過程中，會(huì)遇到疊片之間的短路問題，當(dāng)繞制沖好槽的疊片帶時(shí)，存在預(yù)先打孔的槽難以對(duì)齊的問題。用壓制的軟磁復(fù)合（以下簡(jiǎn)稱sMc）材料做成的鐵心為上述難題提供一個(gè)解決的辦法。

近來，sMc材料低頻特性的改善使得它在電機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用中獲得了廣泛的興趣。sMc材料和粉末冶金擠壓加工的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是：它使復(fù)雜結(jié)構(gòu)容易成形，克服傳統(tǒng)的有槽疊片定子鐵心制造中的一些缺陷。在硅鋼片疊片鐵心的電機(jī)中，在平面磁路中可獲得良好的磁性能，它產(chǎn)生的是一個(gè)二維磁路，這限制了設(shè)計(jì)的可能性。在sMc材料中絕緣的鐵?？梢援a(chǎn)生等方性的磁性能。因此，在磁極組件設(shè)計(jì)中可以獲得三維磁路，為電機(jī)設(shè)計(jì)者提供了新的設(shè)計(jì)方法。

二、軸向磁場(chǎng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1、軸向磁場(chǎng)電機(jī)存在的缺點(diǎn)

軸向磁場(chǎng)電機(jī)的磁場(chǎng)是軸向的，定、轉(zhuǎn)子在電機(jī)中對(duì)等放置，定、轉(zhuǎn)子均為圓盤形，因此也稱為盤式電機(jī)。定子鐵心一般由雙面絕緣的冷軋硅鋼片帶料沖制卷繞而成，在硅鋼帶上，每隔一定距離沖出一個(gè)形狀尺寸完全相同的槽，在保證對(duì)應(yīng)槽一一對(duì)齊的條件下經(jīng)卷繞便可形成端面帶有下線槽的定子鐵心。定子繞組有效導(dǎo)體在空間上呈徑向分布。轉(zhuǎn)子為高磁能積的永磁體，固定在圓盤形鐵心上，軸向電機(jī)定子的鐵心加工是電機(jī)制造的關(guān)鍵。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于沖裁工藝的種種不足以及定子鐵心本身結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，硅鋼片的厚度極薄，為0.5～1.0mm，因而在圓周自動(dòng)成形上或多或少都存在著如下問題：對(duì)齊槽孔兩邊的硅鋼片呈“喇叭口”張開狀；鐵心在卷繞成形中，在卷繞機(jī)剛度不足的情況下，往往出現(xiàn)壓緊不實(shí)的現(xiàn)象；還存在預(yù)先打孔的槽難以對(duì)齊的問題。

2、基于軟磁復(fù)合材料（sMc）的電樞鐵心

由于磁路幾何結(jié)構(gòu)，軸向磁場(chǎng)電機(jī)采用疊片技術(shù)制造鐵心比較困難，兩種方法可以解決疊片鐵心的困擾：一是采用實(shí)心體進(jìn)行加工或采用印制的鐵心；二是采用無鐵心或近似無鐵心的磁路結(jié)構(gòu)。這兩種方法的可行性都是建立在新材料的獲取上：用軟磁粉末復(fù)合材料通過加工處理進(jìn)行三維定型或直接通過壓制過程來制造定子鐵心；采用高性能的水磁體和具有良好熱性能和機(jī)械性能的塑性材料來減小或取消鐵磁材料的使用。目前由于成本的原因，塑性材料很少作為電機(jī)的結(jié)構(gòu)件來使用。只有在要求重量輕、效率高的塑性軸向磁場(chǎng)電機(jī)中得到了應(yīng)用。

為了克服疊片鐵心制造的困難，定子鐵心采用SMC實(shí)心圓柱體加工而成。在實(shí)心的圓柱體上開了許多槽用來安好電樞繞

組。將繞組制造成一個(gè)集中繞組，這可以使相繞組的端部連接縮短，繞組電阻減小，因而可以降低銅耗。

三、SMC材料的特性

在軸向磁場(chǎng)電機(jī)中所用SMC：材料由表面蓋有絕緣薄膜的軟磁鐵粉粒壓制而成。將具有良好磁性能的高純度鐵粉與樹脂粘合濟(jì)混合在一起，經(jīng)過處理后產(chǎn)生一種具有高密度和高強(qiáng)度且壓縮性極好的物質(zhì)。首先將鐵粉和潤(rùn)滑劑混合物進(jìn)行擠壓，在擠壓過程中，在粉末間產(chǎn)生了應(yīng)力，這可以通過在足夠高的溫度下，對(duì)組合件進(jìn)行熱處理來釋放。鐵粉粒在電氣上彼此絕緣，確保SM（：材料有一個(gè)高的電阻率。SMC材料的電阻率、機(jī)械性能和磁性能取決于鐵粉粒的大小、密度、絕緣層厚度、擠壓過程和熱處理周期。因此可以調(diào)節(jié)sMc材料的特性以適合某些應(yīng)用的特殊要求。

一般說來，SMC材料的飽和磁密和相對(duì)磁導(dǎo)率低于硅鋼片，如圖2所示。造成磁導(dǎo)率低的原因是在SMC組件中的磁通必須不斷地通過鐵粉粒之間的非磁性絕緣。將sMc材料用于電機(jī)中，因其電阻率高，它產(chǎn)生的渦流損耗低于硅鋼片材料的電機(jī)。然而，采用SMC：材料的電機(jī)，其磁滯損耗要高些。SMC材料和硅鋼片所產(chǎn)生的總的鐵耗比較，如圖3所示。SMC損耗高的另一個(gè)原因是由于sMc鐵心加工表面上鐵粉粒之間的絕緣被損壞，因而使其表面的渦流損耗過大。因此SMc定子鐵心應(yīng)該進(jìn)行很好的壓制。

四、SMC材料在直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用

雖然SMC材料與硅鋼片相比，相對(duì)磁導(dǎo)率低，鐵心的磁滯損耗大。然而由于直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身的特點(diǎn)，SMc材料的相對(duì)磁導(dǎo)率低可以得到改善。

（1）在直驅(qū)式風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速較低，因此SM（：材料的高鐵心損耗可以得到彌補(bǔ)。在各種額定功率和額定風(fēng)速下，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行頻率通常在30～80Hz。在這運(yùn)行頻率下的鐵心損耗并不是直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)總損耗的主要來源，這些損耗只占總損耗的一小部分。特別是與定子銅耗相比，就更少了。因此sMc材料的高鐵心損耗在永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)中是允許的。

（2）在永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中，由于永磁體安裝在轉(zhuǎn)子表面，有效氣隙較大，磁路的磁阻本身較大，因此設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)sMc材料的低磁導(dǎo)率不敏感，因而彌補(bǔ)SMC材料的相對(duì)磁導(dǎo)率較低。

（3）在電機(jī)設(shè)計(jì)中，所需最小定子軛厚度與極數(shù)成反比，因此在直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，所需的軛厚通常較短，磁路也要短些。尤其是在軸向磁場(chǎng)電機(jī)中，磁通軸向通過位于中央的沒有軛的定子或轉(zhuǎn)子，通過外轉(zhuǎn)子或外定子軛部返回以完全消除中間定子或轉(zhuǎn)子的磁軛，這可以使磁路也有助于彌補(bǔ)SMC：材料的相對(duì)磁導(dǎo)率較低的不足。

本文基于SMC設(shè)計(jì)了一個(gè)有兩個(gè)外轉(zhuǎn)子、一個(gè)內(nèi)定子的軸向磁場(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱AFPM）永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)。額定數(shù)據(jù)為：1.75kw，210V，28極。使用有限元法將基于SMC的軸向永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)與采用硅鋼片定子鐵心的AFPM風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了比較，如圖4所示?？梢钥闯觯罕M管SMC的相對(duì)磁導(dǎo)率較低，然而兩種不同鐵心的氣隙磁密相差并不是很大。

五、結(jié)語

運(yùn)行速度低、極數(shù)多并且永磁體安裝在轉(zhuǎn)子表面的特點(diǎn)都有利于將SMC材料應(yīng)用于永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)中。再者，在雙轉(zhuǎn)子單定子結(jié)構(gòu)中，磁通從一個(gè)轉(zhuǎn)子通過氣隙進(jìn)入定子后再通過氣隙進(jìn)入另一個(gè)轉(zhuǎn)子，可以取消中間定子的磁軛，使磁路進(jìn)一步縮短，以彌補(bǔ)SMC磁導(dǎo)率低的不足。盡管SMC材料的磁導(dǎo)率低，鐵心損耗大，但使用SMC代替硅鋼片鐵心的其它許多優(yōu)點(diǎn)完全可以彌補(bǔ)這個(gè)不足。

SMC鐵心部件的壓制是關(guān)鍵，SMC組件的加工會(huì)使性能下降，因此還需要進(jìn)一步研究。