新型电机模型建构及参数计算

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1引言

新型外永磁转子爪极电机与传统汽车用电励磁爪极电机相比，继承了其结构简单和成本低等优点，充分发挥了新材料在电机中的作用，具有转矩和功率密度大、力学性能指标高和无刷可靠等独特优势，特别适合于高频高速运行，在高频下的运行性能好于常规硅钢片铁心电机[1,2]。该种电机结构新颖，理论工作刚刚起步，尚不成熟，其分析和设计方法需要研究。该种电机不仅适于在调速和汽车电气系统中应用，而且在水力、风力发电领域同样具有很好地应用前景。

外永磁转子爪极电机的结构是由澳大利亚悉尼工业大学首先提出的，他们在定子材料特性、磁路电路模型建立，参数计算以及损耗分析等方面开展许多研究工作[1-4]。新型外永磁转子爪极电机的磁路系统有其特殊性，定子爪极中流过的是三维高频交变磁通。主磁通特别是漏磁通路径比常规交流电机复杂，均为三维分布。导磁材料为特殊的软磁复合材料SMC，其导磁能力和比损耗不同于硅钢片和铸钢，因此对该种电机进行深入研究具有重要的理论意义和实用价值[5-7]。针对该种电机复杂的磁路问题，本文建立了该特种电机简化的等效磁路模型，并推导出简化的磁阻计算解析公式和电机电抗参数的计算公式，并通过实验验证，为该种电机的设计提供了技术依据。

2结构特点和运行机理

外永磁转子爪极电机可采用单段、两段或三段式结构，分别称为单相、两相和三相电机。作发电机或制动运行时，电机段数无要求；作电动机运行时，必须采用多段（m≥2）结构，方可产生方向恒定的旋转力矩。三段结构电机定转子示意图如图1所示，其中图1a为外转子，它由一个内表面安置一定数量的NdFeB永磁体的圆柱形磁轭和两个铝端盖组成，永磁体轴向对齐放置，且在一条直线上极性相同的永磁体；图1b为内定子，采用完全相同的三段式结构，每段由左右两个爪数相等的法兰盘装配而成，在两个法兰盘之间嵌有一个圆柱形铁心，它上面缠绕着单相集中绕组。定子爪极三段沿电机轴向并行排列放置，三段之间在圆周方向上互差120o电角度；图1c为该种电机单段沿轴向分解后的内部结构示意图。

外永磁转子爪极电机有如下优点：该种电机容易做成多极，且不需电刷和滑环，结构更加简单，运行更加安全可靠；绕组构成简单方便，便于设计为多相结构；设计自由度大，可以根据需要改变磁路尺寸和线圈窗口大小；无槽无端部的集中绕组，减少了绝缘层厚度，提高了绕组利用率；集中绕组还可以减小电机的体积[8,9]。定子铁心采用新型的软磁复合材料（SMC），该材料是由包覆绝缘层的铁粉颗粒高温下与滑润剂或粘合剂一起压制成形。由于该材料的粉末性质，形成了磁的各向同性，产生低的涡流损耗，尤其当电机在中高频率运行时，铁心损耗小，效率高；SMC材料易于加工成复杂的形状，同时保持较小的误差。另外，由于该种电机的定子铁心由SMC材料直接压制而成，转子轭部也不需要切割，因此该种电机很大程度上避免了材料的浪费，提高了加工效率[10]。

该种电机的三相绕组虽不在同一轴向截面上，但从输入、输出关系以及能量转换的角度上看，可以将三相绕组等效在同一平面上，但由于三相绕组磁路之间相互独立，没有磁耦合关系，因此，该种电机可以等效看作三相绕组间互感为零的三相电机。当外永磁转子爪极电机作为发电机运行时，原动机拖动外永磁转子旋转，从而不断切割爪极内的定子绕组从而感应出三相交流电；而当爪极中的三相定子绕组通入三相交流电时，定子产生的磁场与转子永磁体相互作用，产生方向恒定的旋转力矩使外转子旋转，电机工作在电动机状态。

3电机磁路模型的建立

3.1等效磁路模型

外永磁转子爪极电机的磁路比常规电机复杂，作为三维磁路结构的电机，这不仅表现在主磁路上，漏磁路亦如此。电机内部的磁通不仅有周向磁通、径向磁通还有轴向磁通。外永磁转子爪极电机内部的磁通示意图如图2所示。

该种电机的磁路复杂，漏磁通所占的比例大且难于计算，定子爪的形状不规则，这些都增加了电磁计算的复杂性。依据上述电机结构和主磁通的分析建立了爪极电机的外永磁转子等效磁路模型如图3所示。由于爪极部分情况特殊，特将该部分用磁网络来处理。图3中，Rg为气隙磁阻，Rk为爪极定子膝部磁阻，Re为爪极定子端部磁阻，Rs为铁心磁阻，Ry为转子轭部磁阻，Rcs为爪极根部磁阻，Rcm为爪极中间段磁阻，Rce为爪极尖部磁阻，Rpm为永磁体磁阻，Rccσ为相邻爪极之间的漏磁阻，Rppσ为相邻永磁体之间的漏磁阻，Ree为定子槽漏磁阻，μctpm为等效永磁体励磁磁动势。

3.2磁路磁阻参数的解析计算

等效磁路模型的准确性，在很大程度上取决于各磁阻计算的准确性，特别是对于形状不规则部分，需要将不规则的外形分割成可以计算的形状。

本文充分考虑该电机的特殊结构，推导出了等效磁路模型中各磁阻的解析式，下面详细列出各部分磁阻的解析式。外永磁转子爪极电机的爪极部分平面示意图如图4所示，根据该图推导出的解析式如下。

电机铁心为标准的圆柱体，它的磁阻的计算比较简单，其解析式为计算端部磁阻为定子槽漏磁阻的计算公式膝部为弧面，该磁阻的计算式为爪极中间段的磁阻为定子爪极形状不规则，致使相邻爪极间的漏磁通复杂，爪极两侧面之间以及爪极底面与底面之间均有漏磁通存在。相邻爪极间的漏磁阻为

永磁体之间漏磁阻Rppσ的计算

永磁体部分的磁阻Rpm的计算

3.3电抗参数与电势计算

根据电机等效磁路中磁阻计算值，可以用式

（13）计算出每相电枢绕组的漏抗电机的同步电抗

根据磁路模型可计算出主磁通φ，进而得到反电动势的有效值，计算公式为

4样机研制与实验验证

为了验证理论分析的正确性，研制一台12极的外永磁转子爪极电机实验样机，样机的参数及尺寸见表1，该电机样机及实验台如图5所示。

定子铁心和爪极部分采用的新型SMC材料型号为Somaloy700。样机定子爪极和定子铁心部分是通过瑞典赫格纳斯公司提供的由SMC材料制成的圆柱型块状物，经车削机械加工工艺制成。外永磁转子爪极电机转子轭部采用低碳钢材料，通过在外转子轭内安装厚度为1mm的非导磁性不锈钢网来固定永磁体，这样不仅保证了永磁体的定位精度，而且克服了永磁体装配中的工艺困难。

用静测法测得的样机绕组电感参数随转子位置角的变化曲线如图6所示，A、B、C三相绕组的自感在4.68mH、4.05mH、4.38mH左右波动。从实验结果可以看出三相绕组的自感平均值并不完全相等，这是由于该种轴向分段结构电机段与段间的漏磁存在所导致。

外永磁转子爪极电机在工作频率为300Hz情况下，分别通过等效磁路推导的电抗解析式法、三维有限元法以及样机实测三种途径得到的该电机电抗值，如表2所示。通过表中数据可以看出，场路两种方法的计算值和实验结果较为吻合，样机实验验证了等效磁路模型的正确性。

本实验用三相异步机作为原动机拖动实验样机空载运行，然后测量不同转速下实验样机的输出端电压。图7所示为电机转速在3000r/min时，用示波器记录下空载感生电动势的波形。可以看出，外永磁转子爪极电机的反电动势接近正弦波形，在额定转速时的反电动势的有效值为104V。

在不同转速下测得该电机的空载电动势有效值与计算结果对比如图8所示，实验证明了前面理论分析的正确性。

5结论

本文通过对一种新型外永磁转子爪极电机结构、运行机理的深入研究、简化等效磁路模型的建立，模型中各磁阻参数的解析式的推导，以及电机电抗和反电动势计算式的推导，为分析和研究该种电机提供了理论依据，同时为指导实验样机的设计与研制提供技术依据。在理论分析的基础上，研制成功了一台外永磁转子爪极电机实验样机，通过对该样机电抗参数测量和空载电动势测量实验，验证了等效磁路模型和参数计算的正确性，为进一步研究该种新型结构电机打下了技术基础。