爪极永磁同步电机的设计特点

爪极永磁同步电机的设计特点

李开成张健梅（华中理工大学武汉430074）

【摘要】介绍爪极永磁同步电机转子的结构及设计特点，并说明了一些主要结构尺寸间的关系。

【叙词】永磁电机同步电机设计

1引言

爪极永磁同步电机的永久磁铁形状简单，极间漏磁大，磁铁过载能力强，机械强度高，普遍用于变流机和变频机，发电机的制造容量自数百瓦到数千瓦。当频率在1000Hz以内时，制造容量可达数十千伏安。这种电机由于转子采用爪极结构，而爪极的形状又可多种多样，因此，较普通永磁同步电机计算复杂。这种电机的分析和设计，在国内外文献中介绍较少。本文介绍爪极永磁同步电机的设计特点及爪极转子的设计。

2爪极式转子的结构及其特点

爪极式转子通常由两个带爪的法兰盘和一个圆环形永久磁铁组成，如图1所示。图la和c为左右两个带爪子的法兰盘，二者爪数相等，且等于极数的1/2。图lb为圆环形磁铁沿转子轴向充磁。图ld为装配图，左右为两个法兰盘对合，二者爪子互相错开，沿圆周均匀分布。圆环形永久磁铁夹在两个带爪法兰盘中间，使一个法兰盘上的爪子皆为N极性，另一个法兰盘上的爪子皆为S极性，形成如图le所示的多极转子结构。显然，法兰盘上的爪子起了极靴的作用。

爪极永磁同步电机中，电机的全部磁通(P对极)轴向穿过圆环形磁铁，进入爪极，经气隙进入定子，爪极中的磁路如图2所示。

爪极通常由10号钢制成，或由钢板冲成，也可由粉末冶金直接压制成形。由于磁通轴向通过爪子，爪子的每一截面通过的磁通不相等，爪尖最少，爪根最多。爪子的截面积沿电机轴向是变化的，爪尖部分的面积最小，爪根部分最大。爪极的形状多种多样，有等宽爪极、梯形爪极，还有正弦爪极。图3为梯形爪极形状。

爪极永磁同步电机中的爪极式转子的优点为：

①永久磁铁形状简单，易加工，磁化状态均匀，磁性好，利用程度高。

②横向电枢反应在爪极中闭合，磁铁几乎不受影响，气隙磁场稳定，不会发生不可逆畸变。

③爪极之间的漏磁较大，纵轴电枢反应对电机的去磁作用较小，磁铁具有较强的过载能力。

④爪极系统结构有良好的阻尼作用，瞬态短路电流对磁铁的作用近似于稳态短路屯泫的作用，可以采用稳态短路电流稳定。

⑤机械强度高，结构牢固，磁铁外径较小，表面线速度不高。

⑥圆环形磁铁的充磁和利用程度与极靴无关，适合于极数较多或频率较高的中频发电机。

然而，爪极式转子也存在一些缺点，主要表现在：

①爪极法兰盘结构比较复杂，制造困难、费时。

②当发电机速度较高或容量较大时，爪极昀离心力很大，爪子可能向外弯曲，甚至根部发生断裂。

③爪极和法兰盘所占的整个转子体积的比例较大，在容量相同的条件下，电机重量增加百分之20～25，不宜作为工频发电机。

④由于爪极部分有轴向磁通，爪极截面积又不宜过大，因此爪极部分的磁势降较大。

⑤爪极必须采取整体结构，不能用叠片，爪极中涡流及磁滞损耗较大，导致效率下降。

⑥爪极之间漏磁较大，不宜采用总装配后充磁，一般采用组件充磁，充磁机的容量较大。

3爪极式转子的设计

爪极式转子的磁铁是一个环形圆柱体，如图4所示，每对极的截面积为：

则

圆环形磁铁的轴向长度L M等于每对极的磁铁长度L M，故磁铁体积的长细比为：

当磁铁体积V M一定时，由上述关系可得：

爪极式转子的磁铁体积长细比应根据永磁材料和发电机的运行特性确定。越小，转子越粗短，气隙磁密高，但抗去磁力低，允许线负荷小。AM值大，转子细长，气隙磁密低，但抗去磁力强，允许线负荷太。当转子细长时，电机的重量较轻，但磁铁和爪极制造比较困难、费时。当λa大于30-- 50mm时，应采用分段式转子（双爪极或多爪极）。对于Br较高而Hc不大的永磁材料，即磁铁应细长一些。对于Hc较高而Br较低的永磁材料（如铁氧体磁铁）。

如果磁铁轴向分成多段，如共分有C段（双爪极或多爪极），则环形磁铁外径公式应改写成：

磁铁的内外径之比如与转子结构和转轴尺寸有关。当采用无轴孔结构时，AD=0;采用有轴孔结构时，h取0.5左右。在确定D M 后，磁铁长度按下式确定

转子的外径D R与爪极尺寸有关，而爪极尺寸又与其形状有关。比值D R/D M不但影响发电机的经济性，还影响发电机的运行性能。

比值D R/D M越小，发电机外形尺寸越小，但爪极部分的磁密越高，爪部磁势降越大，爪极之间的漏磁通也越大，有效磁通越小。因此D R值还应从爪极部分的漏磁通、磁势降和允许磁通密度进行校核。

4结语

爪极的一个很大特点是通过任一截面的磁通不相等，爪尖部分最小，爪根部分最大，如果再考虑到爪极之间的漏磁通以及气隙磁场轴向的不均匀分市，则通过爪极各截面的磁通变化更加复杂。为了使爪极的磁阻和磁势降最小，须使每一截面的磁通密度均匀相等，因此，必须设计沿轴向截面积不等的爪极形状。一般有等宽爪极、梯形爪极和正弦爪极三种。

对等宽爪极，可近似假设气隙磁场沿轴向均匀分布，任一截面的磁通与相距爪尖的距离成线性关系，为使每一截面的磁密相等，应使爪极的径向厚度与z成线性关系。

梯形爪极的工艺比较复杂，可适当增长爪极的轴向长度，改善爪极磁通密度的均匀性和电势波形。

如果梯形边设计成正弦曲线，即可得到正弦爪极。这种爪极除具有梯形爪极的优点外，在理论上还能得到正弦形的空载电势波形，其电势波形的正弦性与绕组节距无关，但这种爪极制造工艺复杂。

至于爪极永磁同步电机的定子和绕组设计，如果没有特殊要求，则应与普通永磁同步电机定子和绕组设计相同。

参考文献

陈峻峰，永磁电机，机械工业出版社，1983