白海軍，張延華，2

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

0 引 言

爪極電機(jī)是一種大量應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域和汽車領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)特殊電機(jī)，由于其簡(jiǎn)單可靠的結(jié)構(gòu)，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(lái)的市場(chǎng)將還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大［1］。然而，汽車制造商不僅要求汽車用電機(jī)體積小、質(zhì)量輕、功率密度高;也對(duì)電機(jī)效率和轉(zhuǎn)矩密度提出了更高的要求［2］。

澳大利亞悉尼工業(yè)大學(xué)學(xué)者首先提出了一種新型的SMC爪極永磁同步電機(jī)，他們?cè)谠摲N新型電機(jī)定子所使用材料特性、磁電模型的建立，電機(jī)參數(shù)以及損耗計(jì)算等方面做了大量的研究工作［3］。SMC爪極永磁同步電機(jī)既可用作調(diào)速電機(jī)，也能用于汽車發(fā)電機(jī)，同時(shí)在水力和風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域也具有應(yīng)用前景［4］。這種新型的SMC爪極永磁同步電機(jī)逐漸引起了汽車制造廠商的關(guān)注，原因在于不僅保留了爪極電機(jī)優(yōu)點(diǎn)，而且還能夠滿足現(xiàn)代汽車對(duì)電機(jī)的高標(biāo)準(zhǔn)需求，具有較高的研究?jī)r(jià)值［5］。但該種電機(jī)漏磁通較大且分布相對(duì)復(fù)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(jī)的性能成為了該種電機(jī)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題［6］。在對(duì)SMC爪極永磁同步電機(jī)各部分漏磁分析研究的基礎(chǔ)上，本文對(duì)該種電機(jī)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)的電機(jī)進(jìn)行了探索性的理論研究。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)、材料及特點(diǎn)

外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)在對(duì)SMC爪極永磁同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)均進(jìn)行了改進(jìn)。SMC爪極永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是1個(gè)圓筒形磁軛，內(nèi)表面安置一定數(shù)量永磁體，充磁方向?yàn)閺较?而橫向磁通爪極電機(jī)的轉(zhuǎn)子是非導(dǎo)磁材料制成的圓筒，內(nèi)表面嵌入一定數(shù)量充磁方向?yàn)檩S向的永磁體構(gòu)成。SMC爪極永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子由兩個(gè)相等爪數(shù)的法蘭盤交錯(cuò)裝配而成，在交錯(cuò)的法蘭盤之間放入一個(gè)繞著單相繞組的圓柱形鐵心;而橫向磁通爪極電機(jī)將兩個(gè)帶爪極的法蘭盤爪極相對(duì)裝配，且爪極的長(zhǎng)度縮短。外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)的定子同樣采用新型的軟磁復(fù)合材料，該種材料是由絕緣層包裹鐵粉顆粒與滑潤(rùn)劑、粘合劑混合，在高溫下經(jīng)過(guò)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(yùn)行的電機(jī)，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(fù)雜形狀，適合于結(jié)構(gòu)不規(guī)則的橫向磁通爪極電機(jī)的定子，加工產(chǎn)生較小的誤差。外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)在結(jié)構(gòu)上同樣具備了SMC爪極永磁同步電機(jī)的若干特點(diǎn)，沒(méi)有電刷和滑環(huán)，避免了火花和機(jī)械故障;沒(méi)有端部繞組，使得銅耗減低;環(huán)形集中繞組使得電機(jī)具有高槽滿率;磁路設(shè)計(jì)自由靈活，可以通過(guò)調(diào)整繞組窗的大小設(shè)計(jì)磁路;容易通過(guò)增加爪的數(shù)量把電機(jī)設(shè)計(jì)成多極，增加爪數(shù)量的同時(shí)，每極磁動(dòng)勢(shì)不發(fā)生改變，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩密度比同規(guī)格的傳統(tǒng)同步電機(jī)高。

該種電機(jī)在運(yùn)行機(jī)理上與SMC爪極永磁同步電機(jī)類似，可采用單段和多段結(jié)構(gòu)，分別稱為單相和多相電機(jī)。作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的外轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)交替地穿過(guò)定子集中繞組，輸出交流電。作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須采用多段結(jié)構(gòu)，只有多段旋轉(zhuǎn)力矩方向才是恒定的，當(dāng)多段繞組通入多相交流電后，電機(jī)氣隙中形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，與外轉(zhuǎn)子上永磁體磁場(chǎng)間相互作用，使電機(jī)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，最終將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

2 電機(jī)磁路模型的建立

2.1 電機(jī)的等效磁路模型

電機(jī)的等效磁路分析法理論相對(duì)成熟，也是電機(jī)設(shè)計(jì)者經(jīng)常采用的方法。等效磁路分析法的基本思想是根據(jù)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)把電機(jī)劃分成若干部分，每部分都看成一個(gè)磁阻，永磁體看成磁動(dòng)勢(shì)，這樣就將電機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的磁場(chǎng)問(wèn)題等效成相對(duì)簡(jiǎn)單的磁路問(wèn)題。依據(jù)上述對(duì)該種新型外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理的分析，建立了如圖2所示的該種電機(jī)的等效磁路模型。

圖2 外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)的等效磁路模型

圖2中，Hctpm是永磁體的等效勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，Rpm是永磁體磁阻，Rg為電機(jī)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(jī)軸部磁阻，Ree是定子的槽漏磁阻。外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)的主磁通是通過(guò)氣隙的有效磁通，所通過(guò)路經(jīng)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(gòu)成。

2.2 磁路磁阻與電機(jī)參數(shù)的解析計(jì)算

電機(jī)的等效磁路模型的建立是否準(zhǔn)確，在一定程度上由各部分磁阻的準(zhǔn)確計(jì)算來(lái)決定。通過(guò)對(duì)該種電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)的分析，推導(dǎo)出了模型中各個(gè)磁阻的計(jì)算公式。外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)定子爪極部分剖面圖如圖3所示，根據(jù)該圖導(dǎo)出定子各磁阻的解析計(jì)算式。

圖3 外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)定子結(jié)構(gòu)剖面圖

外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)的定子鐵心為標(biāo)準(zhǔn)的空心圓柱體，它的磁阻的解析式：

式中：ρsmc為軟磁復(fù)合材料的磁阻率;Ls為電機(jī)有效軸向長(zhǎng)度;Dsi和Ds0分別為定子鐵心的內(nèi)徑和外徑;p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

式中：hpm、bpm、tpm分別為永磁體沿圓周長(zhǎng)度、寬度和軸向厚度;μrpm為永磁體的相對(duì)磁導(dǎo)率。

2.3 電抗參數(shù)與電勢(shì)計(jì)算

根據(jù)等效磁路模型中各磁阻計(jì)算結(jié)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(shù)取1;φ為穿過(guò)定子環(huán)形繞組的最大磁通。

3 電機(jī)的三維有限元分析

3.1 三維場(chǎng)分析模型

等效磁路模型分析理論成熟，但由于建立模型過(guò)程存在假設(shè)及近似處理，準(zhǔn)確性受到制約。法蘭盤的形狀特殊，決定了該種電機(jī)的主磁通和漏磁通在空間成三維分布。只有對(duì)外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極發(fā)電機(jī)進(jìn)行三維磁場(chǎng)分析，才能準(zhǔn)確地反映其磁場(chǎng)的分布情況，分析清楚內(nèi)部磁場(chǎng)分布規(guī)律。三維場(chǎng)分析還可以修正電機(jī)等效磁路模型中系數(shù)，使磁路法在快捷的基礎(chǔ)上更加準(zhǔn)確。

外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)進(jìn)行三維磁場(chǎng)仿真研究的樣機(jī)基本尺寸及電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真樣機(jī)主要尺寸及電機(jī)參數(shù)

外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)的定子法蘭盤和鐵心均采用軟磁復(fù)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(wěn)定性的釹鐵硼材料。

當(dāng)外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電機(jī)空載狀態(tài)時(shí)，通過(guò)有限元分析軟件對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行三維場(chǎng)分析，得到該電機(jī)定轉(zhuǎn)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(jī)內(nèi)部的磁密最大值為1.625 T，內(nèi)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(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)磁密分布圖

圖5 外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)磁密矢量圖

3.2 空載漏磁系數(shù)分析

永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的一個(gè)重要參數(shù)是空載漏磁系數(shù)，它對(duì)于永磁體工作點(diǎn)的確定、準(zhǔn)確磁路計(jì)算有著重要意義。該種橫向磁通爪極電機(jī)設(shè)計(jì)初衷就是為了減少SMC爪極永磁同步電機(jī)漏磁大的問(wèn)題，為了準(zhǔn)確分析該種電機(jī)的空載漏磁系數(shù)情況，下面采用三維有限元法分別對(duì)相同外徑和軸向長(zhǎng)度的兩種電機(jī)的空載漏磁系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

永磁電機(jī)空載漏磁系數(shù)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(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);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(yīng)用式(11)對(duì)表1樣機(jī)進(jìn)行計(jì)算，求得空載漏磁系數(shù)為1.213，而相對(duì)應(yīng)的SMC爪極永磁同步電機(jī)的空載漏磁系數(shù)為1.384。改進(jìn)結(jié)構(gòu)的橫向磁通爪極電機(jī)的空載漏磁系數(shù)降低了12%。

3.3 氣隙磁密和空載電動(dòng)勢(shì)

依據(jù)建立的三維有限元模型，對(duì)該尺寸仿真樣機(jī)進(jìn)行空載研究。

經(jīng)仿真得到如圖6所示的外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)的氣隙磁密波形，從圖可以看出，該仿真樣機(jī)的氣隙磁密的最大值為0.771 T。當(dāng)永磁體與爪極對(duì)齊時(shí)，它們之間的氣隙磁密最大。

圖6 外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)氣隙磁密波形

經(jīng)有限元仿真得到如圖7所示的外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)的空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形，從圖可以看出，該種電機(jī)的空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)接近正弦波，最大空載電動(dòng)勢(shì)為73.5 V。

圖7 外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文首先深入研究了外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)理，建立了它的等效磁路模型，分析并得到了模型中每個(gè)磁阻的計(jì)算公式，同時(shí)導(dǎo)出了電機(jī)電抗的計(jì)算公式;然后使用Ansys軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行了三維磁場(chǎng)計(jì)算。通過(guò)三維有限元磁場(chǎng)的計(jì)算與分析，得到該種電機(jī)內(nèi)部的磁密分布圖及空載電動(dòng)勢(shì)波形。針對(duì)爪極電機(jī)漏磁大這一缺點(diǎn)，本文提出的新型結(jié)構(gòu)是對(duì)SMC爪極永磁同步電機(jī)的改進(jìn)，很大程度上減少了爪極電機(jī)的漏磁通。通過(guò)建立橫向磁通爪極電機(jī)的等效磁路模型及性能仿真，可知該種電機(jī)同樣具有良好的性能。

外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機(jī)是在SMC爪極永磁同步電機(jī)基礎(chǔ)上做的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)矩密度高等SMC爪極永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，另外由于漏磁通在很大程度上得到減小，拓寬了該種電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。該種電機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是汽車發(fā)電機(jī)，除此之外還可以用作調(diào)速和伺服電機(jī)，另外在小型風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域也有著廣闊的使用前景。這種改進(jìn)結(jié)構(gòu)僅僅處于探索階段，還有許多科學(xué)問(wèn)題有待深入研究。

［1］ Bao Xiao Huo，Wang Qun Jing，Ni You Yuan，et al.Research on the mathematics model and parameter optimization of the clawpole Alternator［J］.Icems 2005，VOLS 1-3：2005 ～2008.

［2］ Kaehler C，Henneberger G.Transient 3-D FEM computation of eddy-current losses in the rotor of a claw-pole alternator［J］.IEEE Transactions on Machines，2004，40(2)：1362-1365.

［3］ Guo Y G，Zhu J G，Watterson P A，et al.Comparative study of 3-D flux electrical machines with soft magnetic composite cores［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39(6)：1696-1703.

［4］ 白海軍，張鳳閣，齊穎.新型永磁外轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)的特性仿真［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2008，12(3)：239-243.

［5］ Guo Y G，Zhu J G，Wu W.Design and analysis of electric motors with soft machine composite core［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2002，39(6)：1658-1664.

［6］ 張鳳閣，白海軍，劉宇.永磁外轉(zhuǎn)子爪極發(fā)電機(jī)的漏磁計(jì)算［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009，13(4)：548-552.