摘要：電機(jī)是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。在電路中用字母M(舊標(biāo)準(zhǔn)用D)表示。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動力源。發(fā)電機(jī)在電路中用字母G表示。它的主要作用是利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，目前最常用的是，利用熱能、水能等推動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子來發(fā)電。

　　關(guān)鍵詞：電機(jī),機(jī)構(gòu)特點(diǎn),機(jī)械,論文刊發(fā)

　　電磁式直流電動機(jī)的定子磁極(主磁極)由鐵心和勵磁繞組構(gòu)成。根據(jù)其勵磁(舊標(biāo)準(zhǔn)稱為激磁)方式的不同又可分為串勵直流電動機(jī)、并勵直流電動機(jī)、他勵直流電動機(jī)和復(fù)勵直流電動機(jī)。因勵磁方式不同，定子磁極磁通(由定子磁極的勵磁線圈通電后產(chǎn)生)的規(guī)律也不同。

　　串勵直流電動機(jī)的勵磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間通過電刷和換向器相串聯(lián)，勵磁電流與電樞電流成正比，定子的磁通量隨著勵磁電流的增大而增大，轉(zhuǎn)矩近似與電樞電流的平方成正比，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩或電流的增加而迅速下降。其起動轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的5倍以上，短時間過載轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的4倍以上，轉(zhuǎn)速變化率較大，空載轉(zhuǎn)速甚高(一般不允許其在空載下運(yùn)行)。可通過用外用電阻器與串勵繞組串聯(lián)(或并聯(lián))、或?qū)⒋畡罾@組并聯(lián)換接來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

　　并勵直流電動機(jī)的勵磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組相并聯(lián)，其勵磁電流較恒定，起動轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，起動電流約為額定電流的2.5倍左右。轉(zhuǎn)速則隨電流及轉(zhuǎn)矩的增大而略有下降，短時過載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍。轉(zhuǎn)速變化率較小，為5%~15%。可通過消弱磁場的恒功率來調(diào)速。

　　他勵直流電動機(jī)的勵磁繞組接到獨(dú)立的勵磁電源供電，其勵磁電流也較恒定，起動轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。轉(zhuǎn)速變化也為5%~15%。可以通過消弱磁場恒功率來提高轉(zhuǎn)速或通過降低轉(zhuǎn)子繞組的電壓來使轉(zhuǎn)速降低。

　　復(fù)勵直流電動機(jī)的定子磁極上除有并勵繞組外，還裝有與轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)的串勵繞組(其匝數(shù)較少)。串聯(lián)繞組產(chǎn)生磁通的方向與主繞組的磁通方向相同，起動轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的4倍左右，短時間過載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的3.5倍左右。轉(zhuǎn)速變化率為25%~30%(與串聯(lián)繞組有關(guān))。轉(zhuǎn)速可通過消弱磁場強(qiáng)度來調(diào)整。

　　換向器的換向片使用銀銅、鎘銅等合金材料，用高強(qiáng)度塑料模壓成。電刷與換向器滑動接觸，為轉(zhuǎn)子繞組提供電樞電流。電磁式直流電動機(jī)的電刷一般采用金屬石墨電刷或電化石墨電刷。轉(zhuǎn)子的鐵心采用硅鋼片疊壓而成，一般為12槽，內(nèi)嵌12組電樞繞組，各繞組間串聯(lián)接后，再分別與12片換向片連接。

　　1、引言

　　新型外永磁轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)與傳統(tǒng)汽車用電勵磁爪極電機(jī)相比，繼承了其結(jié)構(gòu)簡單和成本低等優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮了新材料在電機(jī)中的作用，具有轉(zhuǎn)矩和功率密度大、力學(xué)性能指標(biāo)高和無刷可靠等獨(dú)特優(yōu)勢，特別適合于高頻高速運(yùn)行，在高頻下的運(yùn)行性能好于常規(guī)硅鋼片鐵心電機(jī)[1,2]。該種電機(jī)結(jié)構(gòu)新穎，理論工作剛剛起步，尚不成熟，其分析和設(shè)計(jì)方法需要研究。該種電機(jī)不僅適于在調(diào)速和汽車電氣系統(tǒng)中應(yīng)用，而且在水力、風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域同樣具有很好地應(yīng)用前景。

　　外永磁轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)的結(jié)構(gòu)是由澳大利亞悉尼工業(yè)大學(xué)首先提出的，他們在定子材料特性、磁路電路模型建立，參數(shù)計(jì)算以及損耗分析等方面開展許多研究工作[1-4]。新型外永磁轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)的磁路系統(tǒng)有其特殊性，定子爪極中流過的是三維高頻交變磁通。主磁通特別是漏磁通路徑比常規(guī)交流電機(jī)復(fù)雜，均為三維分布。導(dǎo)磁材料為特殊的軟磁復(fù)合材料SMC，其導(dǎo)磁能力和比損耗不同于硅鋼片和鑄鋼，因此對該種電機(jī)進(jìn)行深入研究具有重要的理論意義和實(shí)用價值[5-7]。針對該種電機(jī)復(fù)雜的磁路問題，本文建立了該特種電機(jī)簡化的等效磁路模型，并推導(dǎo)出簡化的磁阻計(jì)算解析公式和電機(jī)電抗參數(shù)的計(jì)算公式，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為該種電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)依據(jù)。

　　2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行機(jī)理

　　外永磁轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)可采用單段、兩段或三段式結(jié)構(gòu)，分別稱為單相、兩相和三相電機(jī)。作發(fā)電機(jī)或制動運(yùn)行時，電機(jī)段數(shù)無要求;作電動機(jī)運(yùn)行時，必須采用多段(m≥2)結(jié)構(gòu)，方可產(chǎn)生方向恒定的旋轉(zhuǎn)力矩。三段結(jié)構(gòu)電機(jī)定轉(zhuǎn)子示意圖如圖1所示，其中圖1a為外轉(zhuǎn)子，它由一個內(nèi)表面安置一定數(shù)量的NdFeB永磁體的圓柱形磁軛和兩個鋁端蓋組成，永磁體軸向?qū)R放置，且在一條直線上極性相同的永磁體;圖1b為內(nèi)定子，采用完全相同的三段式結(jié)構(gòu)，每段由左右兩個爪數(shù)相等的法蘭盤裝配而成，在兩個法蘭盤之間嵌有一個圓柱形鐵心，它上面纏繞著單相集中繞組。定子爪極三段沿電機(jī)軸向并行排列放置，三段之間在圓周方向上互差120o電角度;圖1c為該種電機(jī)單段沿軸向分解后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

　　外永磁轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：該種電機(jī)容易做成多極，且不需電刷和滑環(huán)，結(jié)構(gòu)更加簡單，運(yùn)行更加安全可靠;繞組構(gòu)成簡單方便，便于設(shè)計(jì)為多相結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)自由度大，可以根據(jù)需要改變磁路尺寸和線圈窗口大小;無槽無端部的集中繞組，減少了絕緣層厚度，提高了繞組利用率;集中繞組還可以減小電機(jī)的體積[8,9]。定子鐵心采用新型的軟磁復(fù)合材料(SMC)，該材料是由包覆絕緣層的鐵粉顆粒高溫下與滑潤劑或粘合劑一起壓制成形。由于該材料的粉末性質(zhì)，形成了磁的各向同性，產(chǎn)生低的渦流損耗，尤其當(dāng)電機(jī)在中高頻率運(yùn)行時，鐵心損耗小，效率高;SMC材料易于加工成復(fù)雜的形狀，同時保持較小的誤差。另外，由于該種電機(jī)的定子鐵心由SMC材料直接壓制而成，轉(zhuǎn)子軛部也不需要切割，因此該種電機(jī)很大程度上避免了材料的浪費(fèi)，提高了加工效率[10]。

　　該種電機(jī)的三相繞組雖不在同一軸向截面上，但從輸入、輸出關(guān)系以及能量轉(zhuǎn)換的角度上看，可以將三相繞組等效在同一平面上，但由于三相繞組磁路之間相互獨(dú)立，沒有磁耦合關(guān)系，因此，該種電機(jī)可以等效看作三相繞組間互感為零的三相電機(jī)。當(dāng)外永磁轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，原動機(jī)拖動外永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而不斷切割爪極內(nèi)的定子繞組從而感應(yīng)出三相交流電;而當(dāng)爪極中的三相定子繞組通入三相交流電時，定子產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子永磁體相互作用，產(chǎn)生方向恒定的旋轉(zhuǎn)力矩使外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，電機(jī)工作在電動機(jī)狀態(tài)。

　　3、電機(jī)磁路模型的建立

　　3.1等效磁路模型

　　外永磁轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)的磁路比常規(guī)電機(jī)復(fù)雜，作為三維磁路結(jié)構(gòu)的電機(jī)，這不僅表現(xiàn)在主磁路上，漏磁路亦如此。電機(jī)內(nèi)部的磁通不僅有周向磁通、徑向磁通還有軸向磁通。外永磁轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)內(nèi)部的磁通示意圖如圖2所示。

　　該種電機(jī)的磁路復(fù)雜，漏磁通所占的比例大且難于計(jì)算，定子爪的形狀不規(guī)則，這些都增加了電磁計(jì)算的復(fù)雜性。依據(jù)上述電機(jī)結(jié)構(gòu)和主磁通的分析建立了爪極電機(jī)的外永磁轉(zhuǎn)子等效磁路模型如圖3所示。由于爪極部分情況特殊，特將該部分用磁網(wǎng)絡(luò)來處理。圖3中，Rg為氣隙磁阻，Rk為爪極定子膝部磁阻，Re為爪極定子端部磁阻，Rs為鐵心磁阻，Ry為轉(zhuǎn)子軛部磁阻，Rcs為爪極根部磁阻，Rcm為爪極中間段磁阻，Rce為爪極尖部磁阻，Rpm為永磁體磁阻，Rccσ為相鄰爪極之間的漏磁阻，Rppσ為相鄰永磁體之間的漏磁阻，Ree為定子槽漏磁阻，μctpm為等效永磁體勵磁磁動勢。

　　3.2磁路磁阻參數(shù)的解析計(jì)算

　　等效磁路模型的準(zhǔn)確性，在很大程度上取決于各磁阻計(jì)算的準(zhǔn)確性，特別是對于形狀不規(guī)則部分，需要將不規(guī)則的外形分割成可以計(jì)算的形狀。

　　本文充分考慮該電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出了等效磁路模型中各磁阻的解析式，下面詳細(xì)列出各部分磁阻的解析式。外永磁轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)的爪極部分平面示意圖如圖4所示，根據(jù)該圖推導(dǎo)出的解析式如下。

　　電機(jī)鐵心為標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體，它的磁阻的計(jì)算比較簡單，其解析式為計(jì)算端部磁阻為定子槽漏磁阻的計(jì)算公式膝部為弧面，該磁阻的計(jì)算式為爪極中間段的磁阻為定子爪極形狀不規(guī)則，致使相鄰爪極間的漏磁通復(fù)雜，爪極兩側(cè)面之間以及爪極底面與底面之間均有漏磁通存在。相鄰爪極間的漏磁阻為

　　永磁體之間漏磁阻Rppσ的計(jì)算

　　永磁體部分的磁阻Rpm的計(jì)算

　　3.3電抗參數(shù)與電勢計(jì)算

　　根據(jù)電機(jī)等效磁路中磁阻計(jì)算值，可以用式

　　(13)計(jì)算出每相電樞繞組的漏抗電機(jī)的同步電抗

　　根據(jù)磁路模型可計(jì)算出主磁通φ，進(jìn)而得到反電動勢的有效值，計(jì)算公式為

　　4、樣機(jī)研制與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證理論分析的正確性，研制一臺12極的外永磁轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)的參數(shù)及尺寸見表1，該電機(jī)樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)臺如圖5所示。

　　定子鐵心和爪極部分采用的新型SMC材料型號為Somaloy700。樣機(jī)定子爪極和定子鐵心部分是通過瑞典赫格納斯公司提供的由SMC材料制成的圓柱型塊狀物，經(jīng)車削機(jī)械加工工藝制成。外永磁轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)轉(zhuǎn)子軛部采用低碳鋼材料，通過在外轉(zhuǎn)子軛內(nèi)安裝厚度為1mm的非導(dǎo)磁性不銹鋼網(wǎng)來固定永磁體，這樣不僅保證了永磁體的定位精度，而且克服了永磁體裝配中的工藝?yán)щy。

　　用靜測法測得的樣機(jī)繞組電感參數(shù)隨轉(zhuǎn)子位置角的變化曲線如圖6所示，A、B、C三相繞組的自感在4.68mH、4.05mH、4.38mH左右波動。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出三相繞組的自感平均值并不完全相等，這是由于該種軸向分段結(jié)構(gòu)電機(jī)段與段間的漏磁存在所導(dǎo)致。

　　外永磁轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)在工作頻率為300Hz情況下，分別通過等效磁路推導(dǎo)的電抗解析式法、三維有限元法以及樣機(jī)實(shí)測三種途徑得到的該電機(jī)電抗值，如表2所示。通過表中數(shù)據(jù)可以看出，場路兩種方法的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了等效磁路模型的正確性。

　　本實(shí)驗(yàn)用三相異步機(jī)作為原動機(jī)拖動實(shí)驗(yàn)樣機(jī)空載運(yùn)行，然后測量不同轉(zhuǎn)速下實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的輸出端電壓。圖7所示為電機(jī)轉(zhuǎn)速在3000r/min時，用示波器記錄下空載感生電動勢的波形。可以看出，外永磁轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)的反電動勢接近正弦波形，在額定轉(zhuǎn)速時的反電動勢的有效值為104V。

　　在不同轉(zhuǎn)速下測得該電機(jī)的空載電動勢有效值與計(jì)算結(jié)果對比如圖8所示，實(shí)驗(yàn)證明了前面理論分析的正確性。

　　5、結(jié)論

　　本文通過對一種新型外永磁轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)理的深入研究、簡化等效磁路模型的建立，模型中各磁阻參數(shù)的解析式的推導(dǎo)，以及電機(jī)電抗和反電動勢計(jì)算式的推導(dǎo)，為分析和研究該種電機(jī)提供了理論依據(jù)，同時為指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)與研制提供技術(shù)依據(jù)。在理論分析的基礎(chǔ)上，研制成功了一臺外永磁轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過對該樣機(jī)電抗參數(shù)測量和空載電動勢測量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了等效磁路模型和參數(shù)計(jì)算的正確性，為進(jìn)一步研究該種新型結(jié)構(gòu)電機(jī)打下了技術(shù)基礎(chǔ)。