新型混合励磁爪极电机Ansoft 3D仿真分析

杜 飞，姚舜才，安 坤，任一峰

(中北大学 电气与控制工程学院，山西 太原 030051)

0 引 言

爪极电机由于转子由两个呈鸟爪状的爪极交错形成而得名. 这种电机结构简单、制造简单、输出性能好、成本低，因此广泛应用于汽车发电机领域[1-2]. 但由于两爪极的特殊结构造成的漏磁通大、电机空间利用率低和电机易磁饱和等问题，使得电机的效率普遍在65%以下[3].

为了增加有效磁通，文献[4]和文献[5]研究了在转子轭部放置永磁体的串联混合励磁方式，永磁体的主要作用是增强爪极电机的主磁通，但是，永磁体会破坏原本爪极电机轭部结构，同时增大电励磁磁路的总磁阻. 文献[6]和文献[7]在相邻爪极之间放置切向充磁的永磁体，与原来的电励磁形成并联结构，但是永磁体的固定问题使得电机不能进行高速旋转. 另外还有一种是在转子轭部和励磁线圈之间放置圆筒式永磁体，充磁方向与原来电励磁产生磁场方向一致，并形成并联式混合励磁[8-9]，但也压缩了电励磁线圈的空间，使得电励磁产生得磁动势减小.

同时，传统爪极电机电枢采用集中式设计，端部长度较大，传统爪极电机并没有完全利用到电枢围成的空间，使得电机的转子部分比整个电机长度略小，理论上可以增加爪极电机的两爪极长度，使得整个电机转子长度和电机整体长度一致[10-11]，但是爪极超出部分对电机性能提升不起作用，反而造成材料浪费. 此外，为保证爪极电机的应力要求，电机爪极的尖部尺寸和爪极长度不宜较大[12].

基于上述混合励磁爪极电机的研究，本文提出一种新型混合励磁爪极电机，既不破坏电机转子本身的整体结构，也能保证永磁体的结构强度，从而通过混合励磁增加电机的主磁通. 同时新结构通过特殊结构的设计，使得电机端部空间得到有效利用，提高电机整体空间的利用率，使得电机的功率得到提升. 此外，通过增加新组件，构建新磁路，使爪极电机拥有多条磁路，从而减小电机的易磁饱和特性，进一步提高电机的效率和功率.

1 新型爪极电机的设计

1.1 结构设计

新型混合励磁爪极电机的转子由三种部件组成，即转子、永磁体和磁环. 其结构图如图1 所示. 其中，传统爪极电机转子长度略小于定子长度. 永磁体完全贴合在传统转子所对应的根部，同侧永磁体之间相距45°，对侧永磁体相错22.5°. 其中永磁体采用钕铁硼永磁材料，16块永磁体充磁方向完全一样. 同时永磁体固定在具有铁齿的磁环上，铁齿部位和爪极的尖部完全贴合. 磁环采用和转子部件相同的材料，以利于磁通路径的改善.

由图1 所示的新型爪极电机结构可以看出，永磁体贴于爪极的根部，可以和电励磁磁场形成混合励磁方式，同时永磁体与磁环相连接，通过磁环的结构可以固定永磁体，从而保证永磁体在旋转过程中的强度要求.

图1 新型电机转子结构图Fig.1 New motor rotor structure

1.2 磁通路径分析

传统爪极电机的转子磁场主要由放置于转子轭部空间的电励磁线圈提供. 当励磁线圈通入直流电流时，便会产生轴向磁通. 磁通路径首先从爪极的轭部出发，经过其中一个爪极的靴部和爪极表面进入气隙，穿过气隙空间进入定子中，然后绕经定子槽轭部和定子齿再次进入气隙之中，再次穿过气隙空间进入到相邻爪极的表面和靴部之中，最终回到转子轭部，从而形成完整闭合回路[13-14]. 爪极电机的主磁通路径如图2 所示.

图2 传统电机磁通路径图Fig.2 Flux path diagrams of conventional motor

新型爪极电机多出一个永磁励磁的磁场源，因此在磁通路径形成方面，新型爪极电机增加了由永磁体形成的新磁通路径，图3 给出了新型爪极电机增加的主磁通路径. 主磁通路径为从永磁体“N”极出发，经过磁环和爪极的表面进入气隙中，穿过气隙之后绕经定子槽轭部和定子齿部再次进入气隙中，最后经由相邻爪极表面最终回到永磁体的“S”极.

对于爪极电机而言，能有效影响电机性能的磁通路径为从转子一极出发，经过气隙和定子，最终回到相邻爪极的这一段磁通路径. 而新型爪极电机在磁通路径中，特别是永磁体产生的磁通路径，整个回路都是围绕这一段有效磁通路径，因此新型爪极电机具有更高效的磁通路径. 此外，由于新型爪极电机没有产生需要绕经爪极轭部和靴部的磁通路径，磁通路径更短. 在整个回路中，永磁体的磁动势损失比较小，能够产生较大的主磁通，对于电机性能的提升比较明显. 因此，对比传统爪极电机，新型爪极电机不仅具有更短的磁通路径，而且能更有效地提升爪极电机性能.

图3 新型电机磁通路径图Fig.3 Flux path diagrams of new motor

2 电机损耗对比分析

等效磁路法是电机仿真建模中常用的方法. 忽略爪极电机漏磁通的情况下，新型爪极电机的等效磁路图如图4 所示，其中Fe和Fm分别为电励磁和永磁体产生的磁动势，单位为At；Rp,Rs和Rc分别为转子的轭部、靴部和爪极的磁阻，单位为1H-1；Ry和Rt分别代表定子轭部和齿部磁阻；Ra分别代表磁环磁阻. 虚线框为新型爪极电机增加的永磁体等效磁路.

图4 新型爪极电机等效磁路图Fig.4 New claw pole motor equivalent magnetic circuit diagram

电励磁产生的磁动势与电励磁电流i(单位A)和线圈匝数N有关，即

Fe=Ni.

(1)

永磁体的磁动势与永磁体的特性有关，公式为

(2)

式中：Br为永磁体的剩磁，单位为T；Hm为充磁方向厚度，单位为mm；μ0为真空磁导率，单位为H/m；μr为相对磁导率，单位为1厚度. 根据图4，令

Rr=2Rc+2Rg+2Rt+Ry,

(3)

Re=2Rs+2Rp.

(4)

可以得出传统爪极电机而言其产生的磁通φm，单位为Wb.

(5)

对于新型爪极电机，产生的磁通为

(6)

当两种电机产生相同的磁通时，所需要的励磁电流为

(7)

设电机励磁绕组的电阻为Rw，单位为Ω. 则当两种电机产生相同磁通时，电机的励磁损耗为

(8)

3 磁场仿真结果对比分析

表 1 给出了爪极电机的主要参数.

表 1 新型爪极电机主要参数

新型爪极电机由于存在固定的永磁磁场源和可变的电励磁磁场源，因此新型爪极电机的磁密由两种磁场源叠加而成. 图5 和图6 分别给出了两种电机在空载条件下的定转子磁密云图，其中永磁体采用了牌号为N42U的NdFeB永磁体.

图5 两种电机转子磁力线云图Fig.5 Two kinds of motor rotor magnetic dense cloud diagram

图6 两种电机定子磁力线云图Fig.6 Two kinds of motor stator magnetic dense cloud diagram

新型爪极电机在永磁体使用NdFeB材料后，在相同的条件下，电机的磁场性能得到很大的提高，无论是转子还是定子，磁密的峰值和平均值都有着比较大的提高. 其中传统爪极电机的气隙磁密为0.30 T，新型爪极电机的气隙磁密为0.52 T，相比传统爪极电机增大73.3%.

对于两种爪极电机，由图5和图6可以得知，传统爪极电机磁密峰值出现在爪极的靴部，而新型爪极电机由于存在更短更高效的磁通路径，特别是在磁环的铁齿和爪极尖部结合部位，永磁体的磁通路径和电励磁的磁通路径产生叠加，因此，新型爪极电机的磁密峰值出现在爪极的靴部. 此外，由于新的磁通路径对于整个爪极电机的电励磁磁通路径起到改良作用，加上永磁体产生的磁通路径并不需要经过爪极的轭部和靴部，因此，图5中新型爪极电机轭部的磁密比传统爪极电机的要低. 另外，根据图5(a)，在爪极根部靠近定子区域，经过的磁力线较少，为了提高爪极电机功率密度，此部分常常被切除，但是造成爪极根部应力增大. 新型爪极电机由于永磁体的存在，使得这一部分的磁密增大，可以保留此部分. 不仅保证爪极根部强度，还提高了爪极电机的功率密度.

4 性能仿真结果对比分析

4.1 两种电机磁链比分析

在空载状态下，通入5 A励磁电流时新型爪极电机和传统爪极电机的磁链波形如图7(a) 所示，同时为了研究新型爪极电机磁饱和情况和永磁体对电机性能的影响，分别对两种电机通入-10 A～10 A励磁电流，得到不同电流条件下的磁链趋势如图7(b) 所示.

图7 磁链对比图Fig.7 Flux linkage comparison diagram

由图7 可以得出，空载条件下，传统爪极电机磁链峰值为0.036 Vs，新型混合励磁爪极电机具有更高的磁链值，峰值比传统爪极电机磁链高0.022 Vs，增大62.84%. 通入不同励磁电流时，传统爪极电机磁链只跟励磁电流有关，因此呈现对称结构，随着电流值的增大而增大. 在通入5 A电流之前，增大的幅度较为明显，5 A以后时达到磁饱和状态，增大幅度不明显. 新型爪极电机由于永磁体的存在，在电励磁电流产生磁场与永磁体磁场反相叠加时，随着电流增大，磁链减小. 但是减小幅度不明显； 正向叠加时，随着励磁电流的增大，磁链增大. 在励磁电流达到8 A之前，增大幅度较为明显，8 A之后增大幅度不明显. 当励磁电流为0时，电机的磁链由永磁体单独提供，大小为0.021 Vs. 此外，由于转子存在额外部件，相比传统爪极电机，新型爪极电机达到磁饱和时励磁电流更大，具有不易磁饱和的特性.

4.2 新型爪极电机齿槽转矩分析

由于新型爪极电机采用混合励磁，在电机不通电情况下，由于爪极根部永磁体的存在，因此新型爪极电机相比于传统电励磁爪极电机会产生齿槽转矩[15-16]. 虽然齿槽转矩对电机平均转矩不产生影响，但是过大的齿槽转矩会对电机的振动产生不良影响. 图8 给出了新型爪极电机的齿槽转矩的变化波形. 在转子一个周期之内，新型爪极电机的齿槽转矩峰值为231.68 mN·m.

图8 齿槽转矩波形Fig.8 Waveform of cogging torque

5 结 论

本文针对爪极电机励磁损耗较大，空间利用率低等问题提出一种新型混合励磁方式，通过在爪极电机转子根部增加永磁体和磁环组件，在实现混合励磁的同时，增加电机的空间利用率. 通过对新型爪极电机和传统爪极电机进行电磁仿真对比，得出在空载状态下，新型爪极电机具有更高的气隙磁密和更高的磁链值，比传统爪极电机气隙磁密提高73.3 %，磁链提高62.84%. 同时，在达到磁饱和状态时，新型爪极电机的电励磁电流更高，具有不易磁饱和的特性. 此外，虽然新型爪极电机存在齿槽转矩，但是齿槽转矩值比较小，峰峰值为463.36 mN·m.