外永磁轉(zhuǎn)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(xué)，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(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，由于其簡單可靠的結(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，它未來的市場將還會進(jìn)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(zhì)量輕、功率密度高;也對電機效率和轉(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，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(shù)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(diào)速電機，也能用于汽車發(fā)電機，同時在水力和風(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優(yōu)點，而且還能夠滿足現(xiàn)代汽車對電機的高標(biāo)準(zhǔn)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(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(chǔ)上，本文對該種電機在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，并對改進(jìn)的電機進(jìn)行了探索性的理論研究。

1 電機結(jié)構(gòu)、材料及特點

外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機在對SMC爪極永磁同步電機定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)均進(jìn)行了改進(jìn)。SMC爪極永磁同步電機的轉(zhuǎn)子是1個圓筒形磁軛，內(nèi)表面安置一定數(shù)量永磁體，充磁方向為徑向;而橫向磁通爪極電機的轉(zhuǎn)子是非導(dǎo)磁材料制成的圓筒，內(nèi)表面嵌入一定數(shù)量充磁方向為軸向的永磁體構(gòu)成。SMC爪極永磁同步電動機的定子由兩個相等爪數(shù)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(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機結(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劑、粘合劑混合，在高溫下經(jīng)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(fù)雜形狀，適合于結(jié)構(gòu)不規(guī)則的橫向磁通爪極電機的定子，加工產(chǎn)生較小的誤差。外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機在結(jié)構(gòu)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(huán)，避免了火花和機械故障;沒有端部繞組，使得銅耗減低;環(huán)形集中繞組使得電機具有高槽滿率;磁路設(shè)計自由靈活，可以通過調(diào)整繞組窗的大小設(shè)計磁路;容易通過增加爪的數(shù)量把電機設(shè)計成多極，增加爪數(shù)量的同時，每極磁動勢不發(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(jié)構(gòu)，分別稱為單相和多相電機。作發(fā)電機運行時，電機的外轉(zhuǎn)子由原動機拖動旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)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(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，電機氣隙中形成旋轉(zhuǎn)磁場，與外轉(zhuǎn)子上永磁體磁場間相互作用，使電機外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，最終將電能轉(zhuǎn)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(shè)計者經(jīng)常采用的方法。等效磁路分析法的基本思想是根據(jù)電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部復(fù)雜的磁場問題等效成相對簡單的磁路問題。依據(jù)上述對該種新型外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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 磁路磁阻與電機參數(shù)的解析計算

電機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)確計算來決定。通過對該種電機的特殊結(jié)構(gòu)的分析，推導(dǎo)出了模型中各個磁阻的計算公式。外永磁轉(zhuǎn)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(jù)該圖導(dǎo)出定子各磁阻的解析計算式。

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

外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機的定子鐵心為標(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為電機有效軸向長度;Dsi和Ds0分別為定子鐵心的內(nèi)徑和外徑;p為電機的極對數(shù)。

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(dǎo)率。

2.3 電抗參數(shù)與電勢計算

根據(jù)等效磁路模型中各磁阻計算結(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為穿過定子環(huán)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(shè)及近似處理，準(zhǔn)確性受到制約。法蘭盤的形狀特殊，決定了該種電機的主磁通和漏磁通在空間成三維分布。只有對外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極發(fā)電機進(jìn)行三維磁場分析，才能準(zhǔn)確地反映其磁場的分布情況，分析清楚內(nèi)部磁場分布規(guī)律。三維場分析還可以修正電機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進(jìn)行三維磁場仿真研究的樣機基本尺寸及電機參數(shù)如表1所示。

表1 仿真樣機主要尺寸及電機參數(shù)

外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機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運行在發(fā)電機空載狀態(tài)時，通過有限元分析軟件對該樣機進(jìn)行三維場分析，得到該電機定轉(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磁密分布圖

圖5 外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機磁密矢量圖

3.2 空載漏磁系數(shù)分析

永磁電機設(shè)計中經(jīng)常使用的一個重要參數(shù)是空載漏磁系數(shù)，它對于永磁體工作點的確定、準(zhǔn)確磁路計算有著重要意義。該種橫向磁通爪極電機設(shè)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(zhǔn)確分析該種電機的空載漏磁系數(shù)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(shù)進(jìn)行計算。

永磁電機空載漏磁系數(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(yīng)用式(11)對表1樣機進(jìn)行計算，求得空載漏磁系數(shù)為1.213，而相對應(yīng)的SMC爪極永磁同步電機的空載漏磁系數(shù)為1.384。改進(jìn)結(jié)構(gòu)的橫向磁通爪極電機的空載漏磁系數(shù)降低了12%。

3.3 氣隙磁密和空載電動勢

依據(jù)建立的三維有限元模型，對該尺寸仿真樣機進(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(dāng)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(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機氣隙磁密波形

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在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時的空載感應(yīng)電動勢波形，從圖可以看出，該種電機的空載感應(yīng)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(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機空載感應(yīng)電動勢

4 結(jié) 語

本文首先深入研究了外永磁轉(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機結(jié)構(gòu)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(dǎo)出了電機電抗的計算公式;然后使用Ansys軟件對電機進(jìn)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(nèi)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(jié)構(gòu)是對SMC爪極永磁同步電機的改進(jìn)，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(zhuǎn)子橫向磁通爪極電機是在SMC爪極永磁同步電機基礎(chǔ)上做的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運行可靠、轉(zhuǎn)矩密度高等SMC爪極永磁同步電機的優(yōu)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(yīng)用領(lǐng)域。該種電機的主要應(yīng)用領(lǐng)域是汽車發(fā)電機，除此之外還可以用作調(diào)速和伺服電機，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)問題有待深入研究。

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