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1引言

新型外永磁轉子爪極電機與傳統汽車用電勵磁爪極電機相比，繼承了其結構簡單和成本低等優點，充分發揮了新材料在電機中的作用，具有轉矩和功率密度大、力學性能指標高和無刷可靠等獨特優勢，特別適合于高頻高速運行，在高頻下的運行性能好于常規硅鋼片鐵心電機[1,2]。該種電機結構新穎，理論工作剛剛起步，尚不成熟，其分析和設計方法需要研究。該種電機不僅適于在調速和汽車電氣系統中應用，而且在水力、風力發電領域同樣具有很好地應用前景。

外永磁轉子爪極電機的結構是由澳大利亞悉尼工業大學首先提出的，他們在定子材料特性、磁路電路模型建立，參數計算以及損耗分析等方面開展許多研究工作[1-4]。新型外永磁轉子爪極電機的磁路系統有其特殊性，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交流電機復雜，均為三維分布。導磁材料為特殊的軟磁復合材料SMC，其導磁能力和比損耗不同于硅鋼片和鑄鋼，因此對該種電機進行深入研究具有重要的理論意義和實用價值[5-7]。針對該種電機復雜的磁路問題，本文建立了該特種電機簡化的等效磁路模型，并推導出簡化的磁阻計算解析公式和電機電抗參數的計算公式，并通過實驗驗證，為該種電機的設計提供了技術依據。

2結構特點和運行機理

外永磁轉子爪極電機可采用單段、兩段或三段式結構，分別稱為單相、兩相和三相電機。作發電機或制動運行時，電機段數無要求；作電動機運行時，必須采用多段（m≥2）結構，方可產生方向恒定的旋轉力矩。三段結構電機定轉子示意圖如圖1所示，其中圖1a為外轉子，它由一個內表面安置一定數量的NdFeB永磁體的圓柱形磁軛和兩個鋁端蓋組成，永磁體軸向對齊放置，且在一條直線上極性相同的永磁體；圖1b為內定子，采用完全相同的三段式結構，每段由左右兩個爪數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為該種電機單段沿軸向分解后的內部結構示意圖。

外永磁轉子爪極電機有如下優點：該種電機容易做成多極，且不需電刷和滑環，結構更加簡單，運行更加安全可靠；繞組構成簡單方便，便于設計為多相結構；設計自由度大，可以根據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的體積[8,9]。定子鐵心采用新型的軟磁復合材料（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，形成了磁的各向同性，產生低的渦流損耗，尤其當電機在中高頻率運行時，鐵心損耗小，效率高；SMC材料易于加工成復雜的形狀，同時保持較小的誤差。另外，由于該種電機的定子鐵心由SMC材料直接壓制而成，轉子軛部也不需要切割，因此該種電機很大程度上避免了材料的浪費，提高了加工效率[10]。

該種電機的三相繞組雖不在同一軸向截面上，但從輸入、輸出關系以及能量轉換的角度上看，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立，沒有磁耦合關系，因此，該種電機可以等效看作三相繞組間互感為零的三相電機。當外永磁轉子爪極電機作為發電機運行時，原動機拖動外永磁轉子旋轉，從而不斷切割爪極內的定子繞組從而感應出三相交流電；而當爪極中的三相定子繞組通入三相交流電時，定子產生的磁場與轉子永磁體相互作用，產生方向恒定的旋轉力矩使外轉子旋轉，電機工作在電動機狀態。

3電機磁路模型的建立

3.1等效磁路模型

外永磁轉子爪極電機的磁路比常規電機復雜，作為三維磁路結構的電機，這不僅表現在主磁路上，漏磁路亦如此。電機內部的磁通不僅有周向磁通、徑向磁通還有軸向磁通。外永磁轉子爪極電機內部的磁通示意圖如圖2所示。

該種電機的磁路復雜，漏磁通所占的比例大且難于計算，定子爪的形狀不規則，這些都增加了電磁計算的復雜性。依據上述電機結構和主磁通的分析建立了爪極電機的外永磁轉子等效磁路模型如圖3所示。由于爪極部分情況特殊，特將該部分用磁網絡來處理。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磁路磁阻參數的解析計算

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

本文充分考慮該電機的特殊結構，推導出了等效磁路模型中各磁阻的解析式，下面詳細列出各部分磁阻的解析式。外永磁轉子爪極電機的爪極部分平面示意圖如圖4所示，根據該圖推導出的解析式如下。

電機鐵心為標準的圓柱體，它的磁阻的計算比較簡單，其解析式為計算端部磁阻為定子槽漏磁阻的計算公式膝部為弧面，該磁阻的計算式為爪極中間段的磁阻為定子爪極形狀不規則，致使相鄰爪極間的漏磁通復雜，爪極兩側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的計算

永磁體部分的磁阻Rpm的計算

3.3電抗參數與電勢計算

根據電機等效磁路中磁阻計算值，可以用式

（13）計算出每相電樞繞組的漏抗電機的同步電抗

根據磁路模型可計算出主磁通φ，進而得到反電動勢的有效值，計算公式為

4樣機研制與實驗驗證

為了驗證理論分析的正確性，研制一臺12極的外永磁轉子爪極電機實驗樣機，樣機的參數及尺寸見表1，該電機樣機及實驗臺如圖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，經車削機械加工工藝制成。外永磁轉子爪極電機轉子軛部采用低碳鋼材料，通過在外轉子軛內安裝厚度為1mm的非導磁性不銹鋼網來固定永磁體，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困難。

用靜測法測得的樣機繞組電感參數隨轉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。從實驗結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構電機段與段間的漏磁存在所導致。

外永磁轉子爪極電機在工作頻率為300Hz情況下，分別通過等效磁路推導的電抗解析式法、三維有限元法以及樣機實測三種途徑得到的該電機電抗值，如表2所示。通過表中數據可以看出，場路兩種方法的計算值和實驗結果較為吻合，樣機實驗驗證了等效磁路模型的正確性。

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

在不同轉速下測得該電機的空載電動勢有效值與計算結果對比如圖8所示，實驗證明了前面理論分析的正確性。

5結論

本文通過對一種新型外永磁轉子爪極電機結構、運行機理的深入研究、簡化等效磁路模型的建立，模型中各磁阻參數的解析式的推導，以及電機電抗和反電動勢計算式的推導，為分析和研究該種電機提供了理論依據，同時為指導實驗樣機的設計與研制提供技術依據。在理論分析的基礎上，研制成功了一臺外永磁轉子爪極電機實驗樣機，通過對該樣機電抗參數測量和空載電動勢測量實驗，驗證了等效磁路模型和參數計算的正確性，為進一步研究該種新型結構電機打下了技術基礎。