刍议磁通反向汽车发电机的电磁设计

【摘要】磁通反向发电机是一种新型的电机。该电机的永磁体放在定子齿表面，永磁体安装简单且适于高速运转；定子集中绕组中的磁通呈舣极性变化，其功率密度比传统的双凸极永磁电机要高。本文通过对磁通反向汽车发电机进行研究和分析，发现磁通反向汽车发电机的优势所在。

【关键字】磁通反向电机；汽车发电机；电磁设计

当前汽车工业已经成为我国国民经济发展的支柱产业，汽车发电机技术也在逐步的向前发展。随着永磁性材料性能的提高，永磁性电机得到广泛的应用。这种发电机具有体积小、效率高、方便维修等优点。本文主要是研究分析设计磁通反向汽车发电机的电磁设计，保证转子在高速旋转运行上的可靠性和安全性，提高发电机的性能。

1磁通反向汽车发电机的基本结构和工作原理

1.1磁通反向电机的基本结构

磁通反向电机（FRM）的基本结构与传统的双凸极永磁电机DSPM类似，其定、转子均为双凸极齿槽结构，定子和转子铁心由硅钢片叠压而成，定子上装有集中绕组，空间相对的两个定子齿上的绕组串联构成一相，转子上无绕组。这种电机绕组中的磁链和电流都随转子位置的改变呈双极性变化。

FRM可以是单相的，也可以是多相的。在常见文献中多采用6/8型三相FRM作为分析对象，其横截面如图l所示。

在图中，FRM的定转子齿沿圆周均匀分布，定子极距为60，齿宽通常在45。左右；8个转子齿和齿间是等间距的，转子极距为45。，转子齿宽通常在22.5。左右。每个定子齿表面有两个极替的永磁体。定子上装有集中绕组，绕组联结。

1.2磁通反向电机的工作原理

FRM的运行原理与无刷直流电机类似，随着转子的旋转，转子和定子齿（永磁体）之间位置变化将引起磁阻和磁力线走向的一系列变化，从而在定子绕组产生交变的感应电动势。由于每个定子齿表面贴有两块极性相反的永磁体，每当定子齿下转过一个转子极距的角度时，定子绕组磁链将发生一个周期的变化，故FRM的极对数为转子极数，6/8型FRM的极对数为8，每45度为一个电周期。空载时FRM的磁通由定子极上的永磁体产生，每当转子转过一个转子极距时，定子上集中绕组所交链的磁链就产生一个周期的变化。

理想状况下，相磁通是双极性变化，感应出矩形的电动势波。因此，磁场虽然是永磁体激励的，但电枢绕组的磁链是随转子旋转而双极性变化的。这样永磁体没有转动而感应了双极性的电动势。当FRM作为发电机使用时，定子绕组外接负载，便有电流输出，其定子绕组磁动势与永磁体的磁场相互作用而实现了能量转换，机械能转化为了电能。FRM也可以作为电动机运行，用作电动机时，给绕组通以方波电流，与开关磁阻电机不同，FRM在永磁磁链增加时给绕组通入正电流，在永磁磁链减少时给绕组通入负电流，电机在正、负半拍均产生正向转矩，这一特点使FRM的单位体积出力比开关磁阻电机有所增加。转矩的大小既可以通过控制电流大小或导通区间来实现，也可以采用单拍或双拍的运行方式来控制，改变电流的极性和导通顺序，即可改变转矩的方向，因此FRM可以方便地实现四象限运行，控制十分灵活。FRM在功率变换器件的选择也非常灵活，既可以像磁阻电机一样选择单极性功率变换器件，也可以像一般永磁无刷直流电机一样，选择双极性功率变换器件。

FRM具有以下几个特点：（1）由于高性能永磁磁钢放在定子齿表面上，永磁体安装简单，适于高速旋转；（2）结构简单，机械强度好，转子上无绕组，因此转子惯性小，反应迅速；（3）定子线圈可以预先做好而且很容易地放置在定子极上，因此与无刷电机相比，FRM更牢固并且易于制造；（4）随转子旋转，定子集中绕组的磁链呈双极性变化，具有高功率密度；（5）永磁体的存在大大减小了绕组电感及电感变化率，所以电气时间常数小，电流换相迅速。

2对FRM性能改进的研究

（1）对定位转矩的研究.不论FRM作为发电机还是电动机，其自身的双凸极结构决定其定位转矩较高，这对于转动的平稳性和噪声控制等方面产生较大的影响。由于FRM中磁场饱和程度较高，边界条件和磁场分析与普通电机相比较为复杂，使用传统的解析方法难以获得精确的结果，故采用有限元软件来对FRM定位转矩进行分析。经过分析研究得到的方法有：增加转子齿宽；采用斜槽；转子齿配对；在转子上采用辅助槽等。

（2）采用整距绕组提高FRM的功率密度。观察6/8型FRM电机的磁密分布，我们可以把它看作一个两极电机：它有六个槽，所以每槽的电角度为60。传统的FRM采用集中绕组，绕组节距用电角度表示时为60。，此时定子绕组的基波绕组因数为O.5。若改用整距绕组，基波绕组凶数为1，在绕组匝数相同的条件下，FRM的感应电动势可提高一倍，输出功率也相应地提高一倍，但是整距绕组使电机的自感增加到2.5～3倍，对于发电机将导致较差的电压调整率，而对于电动机将导致功率因数降低，因此提出采用串联电容补偿。（3）对于减少漏磁的研究。FRM的结构决定它具有较多的漏磁通，这些漏磁通降低了电机的整体性能。为了减少漏磁通，文献[7]提出采用定子极凹面结构并在凸极转子的边缘设置磁通栅栏。发电机运行的对比实验证明，这些措施将感应电动势提高15%，从而有效地提高功率密度。

3磁通反向汽车发电机的电磁设计

磁通反向汽车发电机的设计原则是在给定的性能指标的前提下，在发电转速下，发电机在空载时电压应该高于额定电压，以便在额定转速的情况下获得更高的输出功率。

3.1线圈匝数的确定

为了要满足空载电压高于额定电压的性能要求，确定发电机线圈匝数时应该满足发电机在发电时的转速要求。由于每相感应电动波形都是平顶形波，并且两绕组串联起来构成一相，所以额定的相电压就是额定线电压的一半。根据这点确定每线圈的匝数。

3.2输出功率的确定

FRM汽车发电机要求输出电压恒定，一般是在额定电压的情况下，工作状态下电流的变化随着转速的改变而改变。通常FRM汽车发电机在工作时都是两相同时导通工作，一相处于反压状态。因此要时刻考虑汽车发电机的输出状况。

3.3永磁体厚度的确定

为了得到要求的气隙磁密，首先要确定永磁体的厚度。对永磁体厚度的确定一般遵循以下原则：在电机正常工作的状态下，永磁体的厚度要尽可能的小。因为如果永磁体过大将会造成永磁体材料的浪费，同时增加汽车发电机的成本。但是也不能太薄，如果太薄安全系数就会降低。因此从这两个方面考虑，合理确定永磁体的厚度。

4磁通反向汽车发电机的计算机辅助程序

经过编程把磁通反向汽车发电机的设计参量输入到计算机中，然后进行性能的计算。当前一般都是采用C语言程序，这种程序比较灵活，操作起来简单方便，可以用函数作为程序模块以实现程序的模块化。这种程序比较适合磁通反向电机的应用。计算机可以计算出不同转速时的电流，方便找出额定的电流，看额定转速是否满足要求，从而可以轻松计算出额定的损耗和功率。

5结束语

FRM是磁阻电机和永磁电机的有机结合体，是在结构与性能上改良了的DSPM电机。它将永磁体放在定子齿表面，安装简单。转子上无绕组和永磁体，结构简单，适合于高速旋转。定子集中绕组中的磁通呈双极性变化，功率密度高。该电机原理上的自减速性能又使其适合于低速直驱和风力发电领域，具有很好的应用价值。

参考文献：

[1]唐任远.现代永磁电机理论与分析.北京：机械工业出版社，1997.

[2]王冲权.电机的计算机辅助设计与优化技术.上海交通大学出版社，1989.

[3]王蕾.磁通反向汽车发电机的电磁设计与研究[J].防爆电机，2007（6）.