軟磁復合材料在軸向磁場永磁風力發電機中的應用

    一、引言
    用于低速直驅風能系統的徑向磁場永磁同步發電機的外形是一個扁平的大圓盤，這種電機的定子內徑大、轉子尺寸和轉動慣量也大。這對平抑風力起伏引起電動勢的波動是有利的，但也對電機控制提出了更高的要求。另外，直驅式永磁同步發電機通常比傳統發電機質量要大、經濟性要差。為了在商業上更具競爭力，必須對低速大直徑的發電機在成本、功率密度和效率等方面進行優化。
    眾所周知，如果電機的極數足夠多，軸向長度與外徑的比率足夠小時，軸向磁場電機比傳統徑向磁場電機在轉矩和功率密度方面有較大的優勢。軸向磁場永磁電機還具有轉動慣量小、定子繞組散熱條件良好的優點，還可以做成多定子、多轉子的多氣隙結構，以提高輸出功率。因此軸向永磁同步發電機適合應用于直驅風能轉換的場合。
    軸向磁通電機的主要缺陷與定子鐵心的制造有關。定子鐵心是通過將硅鋼片帶料卷繞后再進行槽加工或將沖好槽的硅鋼片帶料卷繞而成。在槽加工過程中，會遇到疊片之間的短路問題，當繞制沖好槽的疊片帶時，存在預先打孔的槽難以對齊的問題。用壓制的軟磁復合(以下簡稱sMc)材料做成的鐵心為上述難題提供一個解決的辦法。
    近來，sMc材料低頻特性的改善使得它在電機設計應用中獲得了廣泛的興趣。sMc材料和粉末冶金擠壓加工的獨特優點是：它使復雜結構容易成形，克服傳統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中，在平面磁路中可獲得良好的磁性能，它產生的是一個二維磁路，這限制了設計的可能性。在sMc材料中絕緣的鐵粒可以產生等方性的磁性能。因此，在磁極組件設計中可以獲得三維磁路，為電機設計者提供了新的設計方法。
    二、軸向磁場電機的結構特點
    1、軸向磁場電機存在的缺點
    軸向磁場電機的磁場是軸向的，定、轉子在電機中對等放置，定、轉子均為圓盤形，因此也稱為盤式電機。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形狀尺寸完全相同的槽，在保證對應槽一一對齊的條件下經卷繞便可形成端面帶有下線槽的定子鐵心。定子繞組有效導體在空間上呈徑向分布。轉子為高磁能積的永磁體，固定在圓盤形鐵心上，軸向電機定子的鐵心加工是電機制造的關鍵。
    在實際生產中，由于沖裁工藝的種種不足以及定子鐵心本身結構的獨特性，硅鋼片的厚度極薄，為0.5～1.0 mm，因而在圓周自動成形上或多或少都存在著如下問題：對齊槽孔兩邊的硅鋼片呈“喇叭口”張開狀；鐵心在卷繞成形中，在卷繞機剛度不足的情況下，往往出現壓緊不實的現象；還存在預先打孔的槽難以對齊的問題。
    2、基于軟磁復合材料（sMc）的電樞鐵心
    由于磁路幾何結構，軸向磁場電機采用疊片技術制造鐵心比較困難，兩種方法可以解決疊片鐵心的困擾：一是采用實心體進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構。這兩種方法的可行性都是建立在新材料的獲取上：用軟磁粉末復合材料通過加工處理進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的結構件來使用。只有在要求重量輕、效率高的塑性軸向磁場電機中得到了應用。
    為了克服疊片鐵心制造的困難，定子鐵心采用SMC實心圓柱體加工而成。在實心的圓柱體上開了許多槽用來安好電樞繞