無刷直流電機從定子的結(jié)構(gòu)來看分為有鐵心有齒槽、有鐵心無齒槽、無鐵心無齒槽和無齒槽空心杯定子。盡管傳統(tǒng)的有鐵心的永磁 無刷直流電機經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計并選用良好的導磁材料也可以具有較高的運行效率，但高速運行時其空載鐵耗很大，這一損耗對有鐵心電 機來說不可避免，是其損耗的主要分量；同時，由于電機鐵心的存在，使得電機無論在空載還是負載，都具有不平衡磁拉力，這對磁 懸浮軸承施加了一個額外的支撐力和剛度要求。而無鐵心無齒槽空心杯結(jié)構(gòu)的無刷直流電機徹底消除了定子鐵耗，消除了齒槽轉(zhuǎn)矩脈 動，降低了單邊磁拉力，具有更加優(yōu)良的性能，適合用于高速場合。此外，傳統(tǒng)的機械軸承支承的高速無刷直流電機軸承的損耗、振動和噪聲較大，直接影響了飛輪的壽命，而采用電磁軸承支承成為未來空間應(yīng)用的重要方向之一。對于高速空心杯型定子永磁無刷直流電機而言，其電磁設(shè)計具有一定的特殊性，若采用常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)電機的氣隙磁通密度很低，降低了功率和轉(zhuǎn)矩密度，并且與高速飛輪電機體積小、重量輕的性能要求相矛盾，通過電磁設(shè)計優(yōu)化可解決這一問題。同時，為滿足效能、強度、剛度、尺寸規(guī)格的要求，還需對電機的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化。

　　（1）高速空心杯定子無刷直流電機的電磁設(shè)計 常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)的空心杯型定子高速永磁無刷直流電機的氣隙磁通密度較低，采用新型halbach磁體結(jié)構(gòu)能夠大幅度提高氣隙磁通密度。該磁體結(jié)構(gòu)具有磁屏蔽、正弦性氣隙磁通密度分布的特點，特別適合于空心杯型定子高速永磁無刷直流電機。圖17和圖2給出了常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)和halbach磁體結(jié)構(gòu)。

　　在設(shè)計高速高效永磁無刷直流電機時，其電磁設(shè)計可遵循下面的原則：

　　1）徑向充磁的常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)電機與平行充磁的常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)電機相比，前者具有小的氣隙磁通、大的轉(zhuǎn)子軛部磁通，因此，對6極及以上極數(shù)的常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)電機來說，應(yīng)采用平行充磁。

　　2）halbach磁體結(jié)構(gòu)電機氣隙磁通密度的正弦性遠比常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)電機好，每極磁體塊數(shù)越多，氣隙磁通密度的正弦分布性越好。

　　3）halbach磁體結(jié)構(gòu)電機的轉(zhuǎn)子軛部磁通密度很小，遠低于常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)電機，因此halbach磁體結(jié)構(gòu)電機可省卻導磁轉(zhuǎn)子鐵心；但常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)電機，如果轉(zhuǎn)子軛部不導磁，則電機氣隙磁通密度將顯著降低。因此，若轉(zhuǎn)子無導磁鐵心，則電機應(yīng)采用halbach磁體結(jié)構(gòu)，以保證電機的氣隙磁通密度，從而保證電機的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度。

　　4）對無定子導磁鐵心電機，無論采用halbach磁體結(jié)構(gòu)還是常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)，電機的永磁磁場都有一定的輻射范圍，因此為防止電磁干擾，應(yīng)保證電機總有效氣隙大于6倍的永磁體厚度。此范圍以外的磁通密度將會很小，不會產(chǎn)生電磁干擾和鐵耗。

　　5）在永磁體厚度較小時，halbach磁體結(jié)構(gòu)提供的氣隙磁通密度低于常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)；而當永磁體厚度增加到一定值時，halbach磁體結(jié)構(gòu)所提供的氣隙磁通密度要高于常規(guī)磁體結(jié)構(gòu)電機。因此，對無定子鐵心電機來說應(yīng)采用halbach磁體結(jié)構(gòu)，并盡可能增加磁體厚度，以提高氣隙磁通密度，從而保證電機具有相當?shù)墓β拭芏群娃D(zhuǎn)矩密度。

　　（2）高速無刷直流電機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 磁懸浮飛輪用高速、高效永磁無刷直流電機與常規(guī)的永磁無刷直流電機相比，在結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法上具有一定的特殊性，對基于上述磁路結(jié)構(gòu)的高速電機，可按照以下約束條件進行整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化。

　　1）效能約束：飛輪轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速時需要提供一定的角動量。

　　2）強度約束：為提高系統(tǒng)的可靠性，要求轉(zhuǎn)子在最高轉(zhuǎn)速下的安全系數(shù)在2以上。

　　3）剛度約束：要求飛輪轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)為剛性轉(zhuǎn)子，在設(shè)計時需要

　　其彈性一階共振頻率大于轉(zhuǎn)子最高工作轉(zhuǎn)速的1.4倍。

　　4）其他約束：飛輪轉(zhuǎn)子與徑向磁軸承、軸向磁軸承和電機的安裝配合尺寸。

　　根據(jù)以上設(shè)計目標及約束條件，結(jié)合多學科設(shè)計優(yōu)化軟件和有限元分析軟件，可采用優(yōu)化算法來完成優(yōu)化設(shè)計，使高速無刷直流電機的綜合性能達到最優(yōu)。圖3給出了經(jīng)過整體結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化后的新型磁體結(jié)構(gòu)和定子無鐵空心杯高速無刷直流電機的剖面圖。

　　圖1 常規(guī)磁體徑向充磁

　　圖2 halbach磁體結(jié)構(gòu)電機

　　圖3 新型高速無刷直流電機的剖面圖

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