外永磁转子横向磁通爪极电机研究

白海军，张延华，2

(1.沈阳化工大学，辽宁沈阳110142;2.沈阳奥森科技有限公司，辽宁沈阳110004)

0 引 言

爪极电机是一种大量应用于航空航天领域和汽车领域的结构特殊电机，由于其简单可靠的结构，低廉的制造成本，被许多汽车制造商接受并大量使用，它未来的市场将还会进一步扩大［1］。然而，汽车制造商不仅要求汽车用电机体积小、质量轻、功率密度高;也对电机效率和转矩密度提出了更高的要求［2］。

澳大利亚悉尼工业大学学者首先提出了一种新型的SMC爪极永磁同步电机，他们在该种新型电机定子所使用材料特性、磁电模型的建立，电机参数以及损耗计算等方面做了大量的研究工作［3］。SMC爪极永磁同步电机既可用作调速电机，也能用于汽车发电机，同时在水力和风力发电领域也具有应用前景［4］。这种新型的SMC爪极永磁同步电机逐渐引起了汽车制造厂商的关注，原因在于不仅保留了爪极电机优点，而且还能够满足现代汽车对电机的高标准需求，具有较高的研究价值［5］。但该种电机漏磁通较大且分布相对复杂，不仅有槽漏磁通、永磁之间的漏磁通，更多的是爪极之间的漏磁通。如何减小漏磁通，提高电机的性能成为了该种电机研究的一个热点问题［6］。在对SMC爪极永磁同步电机各部分漏磁分析研究的基础上，本文对该种电机在结构上进行了改进，并对改进的电机进行了探索性的理论研究。

1 电机结构、材料及特点

外永磁转子横向磁通爪极电机在对SMC爪极永磁同步电机定转子结构均进行了改进。SMC爪极永磁同步电机的转子是1个圆筒形磁轭，内表面安置一定数量永磁体，充磁方向为径向;而横向磁通爪极电机的转子是非导磁材料制成的圆筒，内表面嵌入一定数量充磁方向为轴向的永磁体构成。SMC爪极永磁同步电动机的定子由两个相等爪数的法兰盘交错装配而成，在交错的法兰盘之间放入一个绕着单相绕组的圆柱形铁心;而横向磁通爪极电机将两个带爪极的法兰盘爪极相对装配，且爪极的长度缩短。外永磁转子横向磁通爪极电机结构示意图如图1所示。外永磁转子横向磁通爪极电机的定子同样采用新型的软磁复合材料，该种材料是由绝缘层包裹铁粉颗粒与滑润剂、粘合剂混合，在高温下经过特殊工艺压制而成。材料的粉末特性，使得它具有磁的各向同性，特别适合于中频以上运行的电机，铁损降低，效率得到了提高［6］;特殊的制作工艺使得材料易于加工成复杂形状，适合于结构不规则的横向磁通爪极电机的定子，加工产生较小的误差。外永磁转子横向磁通爪极电机在结构上同样具备了SMC爪极永磁同步电机的若干特点，没有电刷和滑环，避免了火花和机械故障;没有端部绕组，使得铜耗减低;环形集中绕组使得电机具有高槽满率;磁路设计自由灵活，可以通过调整绕组窗的大小设计磁路;容易通过增加爪的数量把电机设计成多极，增加爪数量的同时，每极磁动势不发生改变，从而导致转矩密度比同规格的传统同步电机高。

该种电机在运行机理上与SMC爪极永磁同步电机类似，可采用单段和多段结构，分别称为单相和多相电机。作发电机运行时，电机的外转子由原动机拖动旋转，转子永磁体产生的磁场交替地穿过定子集中绕组，输出交流电。作电动机运行时，必须采用多段结构，只有多段旋转力矩方向才是恒定的，当多段绕组通入多相交流电后，电机气隙中形成旋转磁场，与外转子上永磁体磁场间相互作用，使电机外转子转动，最终将电能转换为机械能。

2 电机磁路模型的建立

2.1 电机的等效磁路模型

电机的等效磁路分析法理论相对成熟，也是电机设计者经常采用的方法。等效磁路分析法的基本思想是根据电机的内部结构把电机划分成若干部分，每部分都看成一个磁阻，永磁体看成磁动势，这样就将电机内部复杂的磁场问题等效成相对简单的磁路问题。依据上述对该种新型外永磁转子横向磁通爪极电机的结构及运行机理的分析，建立了如图2所示的该种电机的等效磁路模型。

图2 外永磁转子横向磁通爪极电机的等效磁路模型

图2中，Hctpm是永磁体的等效励磁磁动势，Rpm是永磁体磁阻，Rg为电机气隙磁阻;Rc是法兰盘爪极部分磁阻;Rk是爪极膝部磁阻;Re是法兰盘端部磁阻，Rs是电机轴部磁阻，Ree是定子的槽漏磁阻。外永磁转子横向磁通爪极电机的主磁通是通过气隙的有效磁通，所通过路经是沿着永磁体的N极-气隙-定子法兰盘-定子铁心和轴-定子法兰盘-气隙-永磁体的S极而形成的闭合回路;漏磁通主要由相邻永磁体之间的漏磁通和定子的槽漏磁通两部分构成。

2.2 磁路磁阻与电机参数的解析计算

电机的等效磁路模型的建立是否准确，在一定程度上由各部分磁阻的准确计算来决定。通过对该种电机的特殊结构的分析，推导出了模型中各个磁阻的计算公式。外永磁转子横向磁通爪极电机定子爪极部分剖面图如图3所示，根据该图导出定子各磁阻的解析计算式。

图3 外永磁转子横向磁通爪极电机定子结构剖面图

外永磁转子横向磁通爪极电机的定子铁心为标准的空心圆柱体，它的磁阻的解析式：

式中：ρsmc为软磁复合材料的磁阻率;Ls为电机有效轴向长度;Dsi和Ds0分别为定子铁心的内径和外径;p为电机的极对数。

式中：hpm、bpm、tpm分别为永磁体沿圆周长度、宽度和轴向厚度;μrpm为永磁体的相对磁导率。

2.3 电抗参数与电势计算

根据等效磁路模型中各磁阻计算结果，可以用式(7)求出电枢绕组的漏抗解析式：

式中：kN1为绕组系数取1;φ为穿过定子环形绕组的最大磁通。

3 电机的三维有限元分析

3.1 三维场分析模型

等效磁路模型分析理论成熟，但由于建立模型过程存在假设及近似处理，准确性受到制约。法兰盘的形状特殊，决定了该种电机的主磁通和漏磁通在空间成三维分布。只有对外永磁转子横向磁通爪极发电机进行三维磁场分析，才能准确地反映其磁场的分布情况，分析清楚内部磁场分布规律。三维场分析还可以修正电机等效磁路模型中系数，使磁路法在快捷的基础上更加准确。

外永磁转子横向磁通爪极电机进行三维磁场仿真研究的样机基本尺寸及电机参数如表1所示。

表1 仿真样机主要尺寸及电机参数

外永磁转子横向磁通爪极电机的定子法兰盘和铁心均采用软磁复合材料Somaloy700;永磁体选用具有足够高的工作温度、良好的磁性能和热稳定性的钕铁硼材料。

当外永磁转子横向磁通爪极电机运行在发电机空载状态时，通过有限元分析软件对该样机进行三维场分析，得到该电机定转子磁通密度幅值大小的分布图，如图4所示。定子法兰盘上磁密矢量的分布图如图5所示。从图中可以看出该种电机内部的磁密最大值为1.625 T，内部磁通为三维分布，包括周向、径向和轴向磁通。

图4 外永磁转子横向磁通爪极电机磁密分布图

图5 外永磁转子横向磁通爪极电机磁密矢量图

3.2 空载漏磁系数分析

永磁电机设计中经常使用的一个重要参数是空载漏磁系数，它对于永磁体工作点的确定、准确磁路计算有着重要意义。该种横向磁通爪极电机设计初衷就是为了减少SMC爪极永磁同步电机漏磁大的问题，为了准确分析该种电机的空载漏磁系数情况，下面采用三维有限元法分别对相同外径和轴向长度的两种电机的空载漏磁系数进行计算。

永磁电机空载漏磁系数的定义式：

式中：φm为永磁体输出的总磁通;φδ为有效磁通用于产生感应电动势;Aδ、Am分别为每极气隙面和永磁体面的面积;Bδ、Bm分别为每极气隙面和永磁体面的磁通密度。

应用式(11)对表1样机进行计算，求得空载漏磁系数为1.213，而相对应的SMC爪极永磁同步电机的空载漏磁系数为1.384。改进结构的横向磁通爪极电机的空载漏磁系数降低了12%。

3.3 气隙磁密和空载电动势

依据建立的三维有限元模型，对该尺寸仿真样机进行空载研究。

经仿真得到如图6所示的外永磁转子横向磁通爪极电机的气隙磁密波形，从图可以看出，该仿真样机的气隙磁密的最大值为0.771 T。当永磁体与爪极对齐时，它们之间的气隙磁密最大。

图6 外永磁转子横向磁通爪极电机气隙磁密波形

经有限元仿真得到如图7所示的外永磁转子横向磁通爪极电机在转子转速为3 000 r/min时的空载感应电动势波形，从图可以看出，该种电机的空载感应电动势接近正弦波，最大空载电动势为73.5 V。

图7 外永磁转子横向磁通爪极电机空载感应电动势

4 结 语

本文首先深入研究了外永磁转子横向磁通爪极电机结构和运行机理，建立了它的等效磁路模型，分析并得到了模型中每个磁阻的计算公式，同时导出了电机电抗的计算公式;然后使用Ansys软件对电机进行了三维磁场计算。通过三维有限元磁场的计算与分析，得到该种电机内部的磁密分布图及空载电动势波形。针对爪极电机漏磁大这一缺点，本文提出的新型结构是对SMC爪极永磁同步电机的改进，很大程度上减少了爪极电机的漏磁通。通过建立横向磁通爪极电机的等效磁路模型及性能仿真，可知该种电机同样具有良好的性能。

外永磁转子横向磁通爪极电机是在SMC爪极永磁同步电机基础上做的结构改进，具有结构简单、成本低廉、运行可靠、转矩密度高等SMC爪极永磁同步电机的优点，另外由于漏磁通在很大程度上得到减小，拓宽了该种电机的应用领域。该种电机的主要应用领域是汽车发电机，除此之外还可以用作调速和伺服电机，另外在小型风力发电领域也有着广阔的使用前景。这种改进结构仅仅处于探索阶段，还有许多科学问题有待深入研究。

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