外永磁轉子橫向磁通爪極電機研究

白海軍，張延華，2

(1.沈陽化工大學，遼寧沈陽110142;2.沈陽奧森科技有限公司，遼寧沈陽110004)

0 引 言

爪極電機是一種大量應用于航空航天領域和汽車領域的結構特殊電機，由于其簡單可靠的結構，低廉的制造成本，被許多汽車制造商接受并大量使用，它未來的市場將還會進一步擴大［1］。然而，汽車制造商不僅要求汽車用電機體積小、質量輕、功率密度高;也對電機效率和轉矩密度提出了更高的要求［2］。

澳大利亞悉尼工業大學學者首先提出了一種新型的SMC爪極永磁同步電機，他們在該種新型電機定子所使用材料特性、磁電模型的建立，電機參數以及損耗計算等方面做了大量的研究工作［3］。SMC爪極永磁同步電機既可用作調速電機，也能用于汽車發電機，同時在水力和風力發電領域也具有應用前景［4］。這種新型的SMC爪極永磁同步電機逐漸引起了汽車制造廠商的關注，原因在于不僅保留了爪極電機優點，而且還能夠滿足現代汽車對電機的高標準需求，具有較高的研究價值［5］。但該種電機漏磁通較大且分布相對復雜，不僅有槽漏磁通、永磁之間的漏磁通，更多的是爪極之間的漏磁通。如何減小漏磁通，提高電機的性能成為了該種電機研究的一個熱點問題［6］。在對SMC爪極永磁同步電機各部分漏磁分析研究的基礎上，本文對該種電機在結構上進行了改進，并對改進的電機進行了探索性的理論研究。

1 電機結構、材料及特點

外永磁轉子橫向磁通爪極電機在對SMC爪極永磁同步電機定轉子結構均進行了改進。SMC爪極永磁同步電機的轉子是1個圓筒形磁軛，內表面安置一定數量永磁體，充磁方向為徑向;而橫向磁通爪極電機的轉子是非導磁材料制成的圓筒，內表面嵌入一定數量充磁方向為軸向的永磁體構成。SMC爪極永磁同步電動機的定子由兩個相等爪數的法蘭盤交錯裝配而成，在交錯的法蘭盤之間放入一個繞著單相繞組的圓柱形鐵心;而橫向磁通爪極電機將兩個帶爪極的法蘭盤爪極相對裝配，且爪極的長度縮短。外永磁轉子橫向磁通爪極電機結構示意圖如圖1所示。外永磁轉子橫向磁通爪極電機的定子同樣采用新型的軟磁復合材料，該種材料是由絕緣層包裹鐵粉顆粒與滑潤劑、粘合劑混合，在高溫下經過特殊工藝壓制而成。材料的粉末特性，使得它具有磁的各向同性，特別適合于中頻以上運行的電機，鐵損降低，效率得到了提高［6］;特殊的制作工藝使得材料易于加工成復雜形狀，適合于結構不規則的橫向磁通爪極電機的定子，加工產生較小的誤差。外永磁轉子橫向磁通爪極電機在結構上同樣具備了SMC爪極永磁同步電機的若干特點，沒有電刷和滑環，避免了火花和機械故障;沒有端部繞組，使得銅耗減低;環形集中繞組使得電機具有高槽滿率;磁路設計自由靈活，可以通過調整繞組窗的大小設計磁路;容易通過增加爪的數量把電機設計成多極，增加爪數量的同時，每極磁動勢不發生改變，從而導致轉矩密度比同規格的傳統同步電機高。

該種電機在運行機理上與SMC爪極永磁同步電機類似，可采用單段和多段結構，分別稱為單相和多相電機。作發電機運行時，電機的外轉子由原動機拖動旋轉，轉子永磁體產生的磁場交替地穿過定子集中繞組，輸出交流電。作電動機運行時，必須采用多段結構，只有多段旋轉力矩方向才是恒定的，當多段繞組通入多相交流電后，電機氣隙中形成旋轉磁場，與外轉子上永磁體磁場間相互作用，使電機外轉子轉動，最終將電能轉換為機械能。

2 電機磁路模型的建立

2.1 電機的等效磁路模型

電機的等效磁路分析法理論相對成熟，也是電機設計者經常采用的方法。等效磁路分析法的基本思想是根據電機的內部結構把電機劃分成若干部分，每部分都看成一個磁阻，永磁體看成磁動勢，這樣就將電機內部復雜的磁場問題等效成相對簡單的磁路問題。依據上述對該種新型外永磁轉子橫向磁通爪極電機的結構及運行機理的分析，建立了如圖2所示的該種電機的等效磁路模型。

圖2 外永磁轉子橫向磁通爪極電機的等效磁路模型

圖2中，Hctpm是永磁體的等效勵磁磁動勢，Rpm是永磁體磁阻，Rg為電機氣隙磁阻;Rc是法蘭盤爪極部分磁阻;Rk是爪極膝部磁阻;Re是法蘭盤端部磁阻，Rs是電機軸部磁阻，Ree是定子的槽漏磁阻。外永磁轉子橫向磁通爪極電機的主磁通是通過氣隙的有效磁通，所通過路經是沿著永磁體的N極-氣隙-定子法蘭盤-定子鐵心和軸-定子法蘭盤-氣隙-永磁體的S極而形成的閉合回路;漏磁通主要由相鄰永磁體之間的漏磁通和定子的槽漏磁通兩部分構成。

2.2 磁路磁阻與電機參數的解析計算

電機的等效磁路模型的建立是否準確，在一定程度上由各部分磁阻的準確計算來決定。通過對該種電機的特殊結構的分析，推導出了模型中各個磁阻的計算公式。外永磁轉子橫向磁通爪極電機定子爪極部分剖面圖如圖3所示，根據該圖導出定子各磁阻的解析計算式。

圖3 外永磁轉子橫向磁通爪極電機定子結構剖面圖

外永磁轉子橫向磁通爪極電機的定子鐵心為標準的空心圓柱體，它的磁阻的解析式：

式中：ρsmc為軟磁復合材料的磁阻率;Ls為電機有效軸向長度;Dsi和Ds0分別為定子鐵心的內徑和外徑;p為電機的極對數。

式中：hpm、bpm、tpm分別為永磁體沿圓周長度、寬度和軸向厚度;μrpm為永磁體的相對磁導率。

2.3 電抗參數與電勢計算

根據等效磁路模型中各磁阻計算結果，可以用式(7)求出電樞繞組的漏抗解析式：

式中：kN1為繞組系數取1;φ為穿過定子環形繞組的最大磁通。

3 電機的三維有限元分析

3.1 三維場分析模型

等效磁路模型分析理論成熟，但由于建立模型過程存在假設及近似處理，準確性受到制約。法蘭盤的形狀特殊，決定了該種電機的主磁通和漏磁通在空間成三維分布。只有對外永磁轉子橫向磁通爪極發電機進行三維磁場分析，才能準確地反映其磁場的分布情況，分析清楚內部磁場分布規律。三維場分析還可以修正電機等效磁路模型中系數，使磁路法在快捷的基礎上更加準確。

外永磁轉子橫向磁通爪極電機進行三維磁場仿真研究的樣機基本尺寸及電機參數如表1所示。

表1 仿真樣機主要尺寸及電機參數

外永磁轉子橫向磁通爪極電機的定子法蘭盤和鐵心均采用軟磁復合材料Somaloy700;永磁體選用具有足夠高的工作溫度、良好的磁性能和熱穩定性的釹鐵硼材料。

當外永磁轉子橫向磁通爪極電機運行在發電機空載狀態時，通過有限元分析軟件對該樣機進行三維場分析，得到該電機定轉子磁通密度幅值大小的分布圖，如圖4所示。定子法蘭盤上磁密矢量的分布圖如圖5所示。從圖中可以看出該種電機內部的磁密最大值為1.625 T，內部磁通為三維分布，包括周向、徑向和軸向磁通。

圖4 外永磁轉子橫向磁通爪極電機磁密分布圖

圖5 外永磁轉子橫向磁通爪極電機磁密矢量圖

3.2 空載漏磁系數分析

永磁電機設計中經常使用的一個重要參數是空載漏磁系數，它對于永磁體工作點的確定、準確磁路計算有著重要意義。該種橫向磁通爪極電機設計初衷就是為了減少SMC爪極永磁同步電機漏磁大的問題，為了準確分析該種電機的空載漏磁系數情況，下面采用三維有限元法分別對相同外徑和軸向長度的兩種電機的空載漏磁系數進行計算。

永磁電機空載漏磁系數的定義式：

式中：φm為永磁體輸出的總磁通;φδ為有效磁通用于產生感應電動勢;Aδ、Am分別為每極氣隙面和永磁體面的面積;Bδ、Bm分別為每極氣隙面和永磁體面的磁通密度。

應用式(11)對表1樣機進行計算，求得空載漏磁系數為1.213，而相對應的SMC爪極永磁同步電機的空載漏磁系數為1.384。改進結構的橫向磁通爪極電機的空載漏磁系數降低了12%。

3.3 氣隙磁密和空載電動勢

依據建立的三維有限元模型，對該尺寸仿真樣機進行空載研究。

經仿真得到如圖6所示的外永磁轉子橫向磁通爪極電機的氣隙磁密波形，從圖可以看出，該仿真樣機的氣隙磁密的最大值為0.771 T。當永磁體與爪極對齊時，它們之間的氣隙磁密最大。

圖6 外永磁轉子橫向磁通爪極電機氣隙磁密波形

經有限元仿真得到如圖7所示的外永磁轉子橫向磁通爪極電機在轉子轉速為3 000 r/min時的空載感應電動勢波形，從圖可以看出，該種電機的空載感應電動勢接近正弦波，最大空載電動勢為73.5 V。

圖7 外永磁轉子橫向磁通爪極電機空載感應電動勢

4 結 語

本文首先深入研究了外永磁轉子橫向磁通爪極電機結構和運行機理，建立了它的等效磁路模型，分析并得到了模型中每個磁阻的計算公式，同時導出了電機電抗的計算公式;然后使用Ansys軟件對電機進行了三維磁場計算。通過三維有限元磁場的計算與分析，得到該種電機內部的磁密分布圖及空載電動勢波形。針對爪極電機漏磁大這一缺點，本文提出的新型結構是對SMC爪極永磁同步電機的改進，很大程度上減少了爪極電機的漏磁通。通過建立橫向磁通爪極電機的等效磁路模型及性能仿真，可知該種電機同樣具有良好的性能。

外永磁轉子橫向磁通爪極電機是在SMC爪極永磁同步電機基礎上做的結構改進，具有結構簡單、成本低廉、運行可靠、轉矩密度高等SMC爪極永磁同步電機的優點，另外由于漏磁通在很大程度上得到減小，拓寬了該種電機的應用領域。該種電機的主要應用領域是汽車發電機，除此之外還可以用作調速和伺服電機，另外在小型風力發電領域也有著廣闊的使用前景。這種改進結構僅僅處于探索階段，還有許多科學問題有待深入研究。

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