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(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的定子磁極(主磁極)由鐵心和勵(lì)磁繞組構(gòu)成。根據(jù)其勵(lì)磁(舊標(biāo)準(zhǔn)稱為激磁)方式的不同又可分為串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。因勵(lì)磁方式不同，定子磁極磁通(由定子磁極的勵(lì)磁線圈通電后產(chǎn)生)的規(guī)律也不同。

　　串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間通過電刷和換向器相串聯(lián)，勵(lì)磁電流與電樞電流成正比，定子的磁通量隨著勵(lì)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(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的5倍以上，短時(shí)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)?？赏ㄟ^用外用電阻器與串勵(lì)繞組串聯(lián)(或并聯(lián))、或?qū)⒋畡?lì)繞組并聯(lián)換接來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

　　并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組相并聯(lián)，其勵(lì)磁電流較恒定，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，起動(dòng)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(shí)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%?？赏ㄟ^消弱磁場(chǎng)的恒功率來調(diào)速。

　　他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組接到獨(dú)立的勵(lì)磁電源供電，其勵(lì)磁電流也較恒定，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。轉(zhuǎn)速變化也為5%~15%?？梢酝ㄟ^消弱磁場(chǎng)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(lì)直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極上除有并勵(lì)繞組外，還裝有與轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)的串勵(lì)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(dòng)轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的4倍左右，短時(shí)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(chǎng)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(dòng)接觸，為轉(zhuǎn)子繞組提供電樞電流。電磁式直流電動(dòng)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(lì)磁爪極電機(jī)相比，繼承了其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shì)，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?cè)诙ㄗ硬牧咸匦浴⒋怕冯娐纺Ｐ徒?，參?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(duì)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(jià)值[5-7]。針對(duì)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(jiǎn)化的等效磁路模型，并推導(dǎo)出簡(jiǎn)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(dòng)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)段數(shù)無要求;作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，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(gè)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(gè)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(gè)爪數(shù)相等的法蘭盤裝配而成，在兩個(gè)法蘭盤之間嵌有一個(gè)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(jiǎn)單，運(yùn)行更加安全可靠;繞組構(gòu)成簡(jiǎn)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(rùn)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(shí)，鐵心損耗小，效率高;SMC材料易于加工成復(fù)雜的形狀，同時(shí)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(shí)，原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)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(shí)，定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(dòng)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(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。

　　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(duì)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(jiǎn)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(shì)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(dòng)勢(shì)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(tái)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(tái)如圖5所示。

　　定子鐵心和爪極部分采用的新型SMC材料型號(hào)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(cè)法測(cè)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(dòng)。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(cè)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(chǎng)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(dòng)機(jī)拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)空載運(yùn)行，然后測(cè)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(shí)，用示波器記錄下空載感生電動(dòng)勢(shì)的波形?？梢钥闯?，外永磁轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)接近正弦波形，在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)的有效值為104V。

　　在不同轉(zhuǎn)速下測(cè)得該電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)有效值與計(jì)算結(jié)果對(duì)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(duì)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(jiǎn)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(dòng)勢(shì)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(shí)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(tái)外永磁轉(zhuǎn)子爪極電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過對(duì)該樣機(jī)電抗參數(shù)測(cè)量和空載電動(dòng)勢(shì)測(cè)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)。