Flux Concentrating Axial Flux Ferrite Permanent Magnet Motor Design

Abstract

2가지 자화 방법을 이용한 이중 외각 고정자와 안쪽 회전자 구조의 축 방향 전동기를 연구하였다. 회전자 자석으로 ferrite 자석중 높은 에너지 생산량을 보이는 NMF-12G를 사용하였다. 제안된 모터는 20극, 24슬롯 구조이고, 집중권 권선을 사용하였다. 고정자의 각 teeth는 서로 다른 세가지 전기강판을 적층하여 만들수 있고 팬 케이크 형의 고정자 back iron과 조립하여 제작이 가능하다. 본 논문은 자속 집중형과 축 방향 자화 회전자를 자속 사용량과 토크 리플에 관하여 비교, 연구하였다. 간략화한 전동기 모델을 분석하여 최적 자석 비율을 찾아내었다. 자속 집중형 방법이 영구자석 사용양을 감소하는데 더 적합하였지만, 축 방향 자화에 비해 더 많은 토크 리플를 보였다. 15% 더 적은 사용양으로 제안된 자속 집중형 전동기는 기존의 축방향 자화 전동기와 비슷한 성능을 보였다. 축방향 자속 전동기의 고정자 재료로 기존의 SMC는 전기 강판에 비해 낮은 투자율, 높은 손실과 강성을 가져 제작성에서 불리하다. 대신에 전기 강판을 사용하여 철손을 크게 감소시켰다. 시뮬레이션은 3-D 유한요소법(FEM)을 이용하여 검증하였다.

Two stator axial motors are studied over different magnetization methods. As the rotor magnets, a high energy product ferrite (NMF-12G) is used. It has a 20 pole, 24 slot structure, and concentrated pole windings. Each piece of tooth is made by stacking three different size of sheets, and can be assembled into the pan cake type back iron disk. The back iron is made by rolling a long thin steel strip. Throughout the paper, flux concentrating and axial magnetizations are compared in magnet usage and torque ripple. Proper magnet ratio is found by analyzing the simplified linear motor model. The flux concentrating method is more favorable in reducing the permanent magnet (PM) usage, but it has more torque ripple. The saving amount is more than 15%. To compare iron loss analysis, two axial flux permanent magnet (AFPM) machines using soft magnetic composite (SMC) and lamination steel are studied. SMC cores have much larger loss values than lamination steel cores because SMC core is not laminated. The iron losses in two machines using SMC and laminated steel were studied and shown that laminated steel can reduce iron losses considerably. Simulations were carried out by a commercial 3-D FEM tool.