一种新型轴向磁通爪极电机的电磁性能分析

潘秋萍，刘成成

(1.郑州铁路职业技术学院,郑州 451460；2. 河北工业大学，天津 300401)

0 引 言

近年来，软磁复合材料(以下简称SMC)的研制、磁特性测量与模拟、以SMC设计新型电机已吸引了国内外科研人员的广泛关注[1-5]。目前已有比较成熟的商业SMC产品和使用SMC制作的永磁电机。但SMC具有磁导率低、磁滞损耗大等缺点，除特殊应用场合，SMC主要应用于低成本的电机驱动场合。

目前，SMC铁心电机的设计要点可以总结如下：1)设计具有三维磁通路径电机，以发挥其磁各向同性的优点；2)设计电机的额定工作频率为300～500 Hz,以利用其涡流损耗低的优点；3)设计电机为永磁电机，以弥补其磁导率低的缺点(永磁电机对软磁材料的磁导率并不敏感)；4)使用铁氧体作为永磁体材料，以降低永磁电机的材料成本[6-7]。

横向磁通电机(以下简称TFM) 由于采用了全局绕组结构，每匝绕组都能铰链所有的磁极，其转矩与其极对数成正比，转矩密度高[9-10]。爪极电机是基于TFM的一种新型电机，其本质是对TFM的定子齿部顶端位置进行轴向延伸，使得其能引入更多的磁通，以提高电机的转矩能力。

为克服爪极电机的使用场合限制性这一缺陷，本文提出了一种轴向磁通爪极电机(以下简称AFCPM)。该电机具有较高的性能价格比，较好的聚磁能力和较高的转矩体积密度，既适用于低成本的家用电器驱动电机，也适用于转矩密度要求较高的高端家用电器电机驱动场合。

1 AFCPM

AFCPM的结构示意图如图1所示。本文采用表面贴永磁以减小轴向长度；采用定子外侧轭部的宽度较内侧的宽度稍小的结构，使得电机外定子轭爪连接处与内定子轭爪连接处的磁通密度接近；为增强电机的转矩密度，设计定子爪极沿径向的长度为沿电机的外径减内径。采用注塑工艺以加强电机定子铁心和绕组的结构完整性，提高电机的机械强度，三个单相电机模块在空间位置上彼此相差120°，构成对称三相电机。

图1 AFCPM结构示意图

本文使用SMC来制造其定子铁心，在AFCPM的转子背铁处同样由SMC制作而成。在该电机的设计中所用SMC的型号为SOMALY 500TM，其铁心密度7.32 g/cm3。 本文对使用不同永磁材料设计而成的AFCPM进行了对比。所用稀土钕铁硼永磁的具体牌号为N30M，而铁氧体永磁的具体牌号为Y30。以传统的SMC TFM作为标准，其所使用SMC的型号与密度和本文所用材料相同，永磁体采用了稀土钕铁硼永磁N30M。TFM和AFCPM的外径均为47 mm，总轴向长度为93 mm。且所有电机的额定电流密度也相等。表1为AFCPM的主要尺寸参数的具体数值。

表1 AFCPM的主要尺寸

2 工作原理

AFCPM与传统径向磁通爪极电机的工作原理相近，但仍存在区别，AFCPM的主磁通路径是沿着电机的轴向方向，而径向磁通爪极电机的主要磁通是沿着电机的径向方向的。就单相电机模块而言，AFCPM的磁力线的主要路径：由永磁体N极开始，经气隙至定子爪极顶部后，经爪极轭部连接处至定子的轭部，再由相邻的定子的爪极轭部连接处至定子的爪极，经过气隙至转子永磁体S极，最后通过转子背铁与永磁体N极形成闭合回路，如图2所示。随着转子的转动，电枢绕组铰链过的永磁磁链会由永磁磁链的正向最大，经过零至反向最大，最终形成一个正弦的磁链波形，具体可参照径向磁通爪极电机进行理解[8]。每一个轴向磁通电机的模块便是一相结构，需要三个模块相互错开120°电角度，以形成对称的三相运行。

图2 AFCPM的主磁通路径

3 电磁特性

本文使用了有限元软件ANSYS，对AFCPM的磁场分布进行分析并计算电磁特性。

3.1 磁通密度分布

图3为AFCPM的空载磁通密度分布图。由图3可见，使用稀土钕铁硼永磁设计的磁通密度最大值出现在电机定子的爪极与轭部的连接处(约为1.4 T)，已接近膝点磁密，它的转子背铁上的最大磁通密度为1.15 T；使用铁氧体永磁设计的最高磁通密度为0.8 T，远高于铁氧体永磁自身的剩余磁通密度(0.4 T)，同样也位于电机定子的爪极和轭部的连接处。

图3 AFCPM的空载磁通密度分布图

3.2 电磁参数分析

图4是AFCPM的每匝永磁磁链的波形图。由图4数据可知，铁氧体永磁的永磁磁链峰值约为0.22 mWb，而钕铁硼永磁的永磁磁链峰值磁链约为0.52 mWb，而且两种电机的永磁磁链的波形均为正弦波。

图4 AFCPM的每匝永磁磁链

图5为AFCPM的反电动势随着转子位置变化的波形和反电动势的谐波频谱分析图。两个电机的反电动势均有良好的正弦度，且均存在着较高的三次谐波。使用钕铁硼永磁设计的AFCPM还含有五次谐波分量。

图5 AFCPM的每匝相反电动势及其谐波频谱分析

在永磁电机中，电感是一个非常重要的参数，本文在电感求解过程中使用了冰冻磁导率技术[11]。图6为AFCPM随转子位置变化的电感波形图。与铁氧体永磁电机相比，钕铁硼永磁电机的电感值较小，但转子在不同位置时，主磁路上的磁通密度变化较大，所以其电感值的变化波动也较大。

图6 AFCPM随转子位置变化的电感波形图

4 电磁分析

4.1 电机损耗分析

本文采用暂态损耗的计算法，可表示：

(1)

式中：kc,ke,Ce及β的具体数值均由使用悉尼科技大学的三维磁特性测量仪所得的结果进行曲线拟合而得[12]。

在电机转速1 800 r/min时，AFCPM和TFM铁心损耗随着电机的电负荷变化的曲线如图7所示。由图7可见，AFCPM和TFM的铁心损耗均会随着电流密度的增加而增加。当电流密度等于0时，铁氧体永磁设计的AFCPM的铁心损耗最小。当电流密度等于7 A/mm2时，使用铁氧体永磁和钕铁硼永磁设计的AFCPM的铁心损耗相近，并远高于TFM的铁心损耗。本文采用自然风冷的冷却方式，额定电流密度为6 A/mm2。

图7 1 800 r/min时的AFCPM和TFM铁心损耗比较

4.2 转矩和效率

本文所设计的AFCPM中，因其磁阻转矩较小，所以磁阻转矩忽略不计。本文使用d轴电流为0的控制方式来计算电机的电磁转矩。

图8(a)为AFCPM的齿槽转矩随转子位置变化的波形图，图8(b)是电磁转矩随转子位置变化的波形图。钕铁硼永磁电机与铁氧体永磁电机相比，前者的齿槽转矩及电磁转矩的数值和波动程度都远高于后者。

(a)

(b)

图9是AFCPM和TFM在1 800 r/min时的输出转矩随着电流密度变化的波形图。当电流密度从0增加到7A/mm2，输出转矩均为额定转速状态(1 800 r/min)。由图9可知，使用钕铁硼永磁设计的AFCPM的转矩最大，其次为使用钕铁硼永磁设计TFM，最小的是使用铁氧体永磁设计的AFCPM。

图9 额定状态下AFCPM和TFM的输出转矩随电流密度变化波形图

图10为AFCPM和TFM的效率比较，使用钕铁硼永磁体设计时两种电机的效率大致相等，当使用铁氧体永磁设计时，AFCPM的效率较低。

图10 AFCPM和TFM的效率比较(1 800 r/min)

4.3 材料价格及转矩密度比较

表2是三种电机主要材料成本的比较，其中钕铁硼永磁体设计的TFM的价格最高，其永磁材料的成本是电机成本的主要部分，约占总成本60%以上。由表3的主要性能比较中可知，使用铁氧体永磁体设计的AFCPM的转矩价格比最高，使用钕铁硼永磁体设计的AFCPM效率最高，使用钕铁硼永磁体设计的AFCPM转矩质量比最高，这验证了AFCPM在高转矩密度电机的设计方面也具有较大的优势。

表2 三种电机主要材料成本的价格比较

表3 三种电机性能比较

5 结 语

本文研究了一种新型AFCPM。选取性能较好的SMCTFM比对研究。最终研究结果表明，使用SMC制作的AFCPM的结构优势较为明显，聚磁效果好；使用铁氧体永磁体设计的AFCPM具有最高的性价比，使用钕铁硼永磁体设计的AFCPM能够输出最高的转矩密度，且也比TFM的性价比高很多。AFCPM既能够用于低成本电机驱动的家用电器电机驱动场合，也适用于高转矩密度电机驱动场合。