橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)發(fā)展及探究現(xiàn)狀

1、橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)發(fā)展及探究現(xiàn)狀華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué) 院電氣工程系【摘要】橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)因其高轉(zhuǎn)矩密度和 高效率的優(yōu)點(diǎn)，吸引各國(guó)電機(jī)設(shè)計(jì)人員們對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制 造工藝、磁場(chǎng)分析及運(yùn)行性能等方面展開了具體研究。在查 閱現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)介紹了橫向磁 場(chǎng)永磁電機(jī)的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，分析了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外橫向 磁場(chǎng)電機(jī)的主要研究方向，最后對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。【關(guān)鍵詞】橫向磁場(chǎng)；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；自定位轉(zhuǎn)矩；功率因 數(shù)1. 引言橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)(transverse flux permanent magnet machine,簡(jiǎn)稱tfpm)是由德國(guó)著名電機(jī)專家h

2、. weh教授率 先于1986年提出的一種新型電機(jī)結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)電機(jī)相比， 橫向磁場(chǎng)電機(jī)具有以下特點(diǎn)(1) 電機(jī)的每相都完全獨(dú)立，因此相與相之間沒有電 磁耦合，可提高電機(jī)的容錯(cuò)能力。(2) 電機(jī)磁路呈三維分布，磁路與電路(線圈部分) 處于不同平面，定子尺寸和線圈尺寸相互獨(dú)立，從而使tfpm 能夠同時(shí)獲得較大的定子齒橫截面和線圈橫截面，大大提高 了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，其輸出大約是標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用異步電機(jī)的510 倍。(3) 在保持轉(zhuǎn)速、電機(jī)主要尺寸、氣隙磁密等參數(shù)不 變時(shí)，tfpm的功率與電機(jī)的極對(duì)數(shù)成正比，適用于低速、大 轉(zhuǎn)矩場(chǎng)合。近幾年來，隨著電動(dòng)車、電力直接推進(jìn)裝置和風(fēng)力發(fā)電 技術(shù)研究的深入，對(duì)高轉(zhuǎn)矩

3、密度、低速直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求 更為迫切，于是橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)因其上述優(yōu)點(diǎn)成為了新型 電機(jī)的研究熱點(diǎn)之一。許多歐美經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家投入了大量的 人力、物力和財(cái)力進(jìn)行橫向磁場(chǎng)電機(jī)的理論和應(yīng)用研究，豐 富了橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，促進(jìn)了橫向磁場(chǎng)電機(jī)的 發(fā)展。本文較系統(tǒng)地介紹分析了當(dāng)前橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的主 要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，闡述了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外橫向磁場(chǎng)電機(jī)的主要研究方 向和方法，并對(duì)橫向磁場(chǎng)電機(jī)存在的問題也做了簡(jiǎn)單介紹。2. 橫向磁場(chǎng)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式按照永磁體的有無及安裝方式來分，橫向磁場(chǎng)電機(jī)拓?fù)?結(jié)構(gòu)可以分為四類：平板式、聚磁式、無源轉(zhuǎn)子式和磁阻式 3。圖1為德國(guó)亞琛的g. henneberger教授設(shè)計(jì)的

4、外轉(zhuǎn)子平 板式橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)。這種結(jié)構(gòu)中，永磁體被均勻地平鋪 于轉(zhuǎn)子表面，相鄰的永磁體被充磁成不同的極性，充磁方向 一般為徑向，u形定子鐵心以兩倍極距均勻分布在圓周上， 其兩個(gè)齒分別對(duì)應(yīng)不同極性的永磁體。電機(jī)通電后，定子磁 場(chǎng)通過轉(zhuǎn)子兩邊相對(duì)齊的鐵心閉合。平板式結(jié)構(gòu)可以分為無 導(dǎo)磁回路和有導(dǎo)磁回路兩種。無導(dǎo)磁回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單如圖1 (a),但是永磁體利用率相對(duì)較低，一半的永磁體因沒有導(dǎo) 磁回路而產(chǎn)生雜散磁通，從而削弱主磁通。有導(dǎo)磁回路通過 帶輔助磁橋，可提高永磁體的利用率，但結(jié)構(gòu)會(huì)較為復(fù)雜。 圖1 (b)就是加了 i形導(dǎo)磁回路。i形導(dǎo)磁回路做成特殊的 三角形狀，可利于減小定子磁輒和導(dǎo)磁回路中的雜

5、散磁通。weh原型機(jī)就是一種典型的雙邊聚磁式橫向磁場(chǎng)永磁 機(jī)，其一相結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子一般由鐵磁 材料和永磁體迭裝而成，相鄰永磁體極性相對(duì)形成一對(duì)極， 一般采用周向磁化。定子同側(cè)u形鐵相互間距兩倍極距，內(nèi) 外齒錯(cuò)開一個(gè)極距。當(dāng)定子繞組通電時(shí)，定子鐵心磁場(chǎng)通過 定子的一個(gè)齒，周向穿過轉(zhuǎn)子，到達(dá)另一個(gè)與之錯(cuò)開一個(gè)極 距的齒部，形成閉合回路。與平板式相比，聚磁式的氣隙磁 密更高，性能參數(shù)更優(yōu)，但電機(jī)結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜。無源轉(zhuǎn)子式橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)最初是由加拿大calgary 大學(xué)b. ehasubek等人于1999年設(shè)計(jì)的。該設(shè)計(jì)是將聚磁式 橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永磁體等效地轉(zhuǎn)移到定子上，同

6、 時(shí)將轉(zhuǎn)子鐵心傾斜一個(gè)極距。該結(jié)構(gòu)由于永磁體被移動(dòng)到了 定子上，減輕了轉(zhuǎn)子振動(dòng)對(duì)永磁體的影響，利于散熱，延長(zhǎng) 了永磁體的壽命；簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，提高了可靠性和平衡性, 但是該電機(jī)也存在永磁體用量大的缺點(diǎn)。磁阻式結(jié)構(gòu)是去掉了永磁體，僅在定子繞組中通入電 流，通過磁阻轉(zhuǎn)矩使電機(jī)運(yùn)動(dòng)。該電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本 低等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在轉(zhuǎn)矩密度低的缺點(diǎn)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 3所示。3. 橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的研究現(xiàn)狀橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)作為電力推進(jìn)機(jī)的一個(gè)重要的研究 方向，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的研究，其研究方向主要集中在 以下三個(gè)方面：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，磁場(chǎng)計(jì)算分析和電機(jī)控制策 略。簡(jiǎn)化磁路結(jié)構(gòu)和制造工藝一直是橫向磁場(chǎng)永磁電

7、機(jī)的 研究熱點(diǎn)。國(guó)外在h. weh原型機(jī)的基礎(chǔ)上，相繼研發(fā)出了很 多平板式和聚磁式tfpm的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并針對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu) 缺點(diǎn)，對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了許多改善。相比之下，國(guó)內(nèi)對(duì)橫向 磁場(chǎng)永磁電機(jī)的研究還處于起步階段。國(guó)內(nèi)許多高校和科研 機(jī)構(gòu)也相應(yīng)提出了自己的tfpm拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如上海大學(xué)設(shè)計(jì) 了 e型鐵心聚磁式，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的新型單邊、卷繞式 定子鐵心、內(nèi)置式聚磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及華中科技大學(xué)在德國(guó) g. henneberger平板式tfpm結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)出的一種外 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)tfpm等等。電磁場(chǎng)的計(jì)算分析不僅可指導(dǎo)電機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，而且可 直接應(yīng)用于tfpm的性能分析。不同于傳統(tǒng)的電機(jī)已經(jīng)形成 了成熟

8、的電機(jī)設(shè)計(jì)理論和技術(shù)，且橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)磁路呈 三維分布，不同于傳統(tǒng)電機(jī)的二維場(chǎng)，因此需要對(duì)tfpm三 維場(chǎng)建模進(jìn)行分析。三維模型有限元計(jì)算要比二維模型數(shù)據(jù) 量多很多，為了提高計(jì)算效率，在建模時(shí)，需要根據(jù)電機(jī)的 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)求解模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。國(guó)內(nèi)針對(duì)tfpm的 磁場(chǎng)分析提出了很多方法，有磁路解析法、有限元法以及磁 路解析法和有限元相結(jié)合的方法等。橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)是一種各相繞組間相互獨(dú)立的永磁 同步電機(jī)，因此可認(rèn)為tfpm是由n個(gè)空間對(duì)稱分布，結(jié)構(gòu) 獨(dú)立的單相同步電機(jī)構(gòu)成。由變頻器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī) 加上轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成的自同步永磁電機(jī)，既具有 電勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)異調(diào)速性能，又

9、實(shí)現(xiàn)了無刷化，若反 電勢(shì)波形和供電電流波形都是矩形波的電動(dòng)機(jī)，則為無刷直 流電動(dòng)機(jī)，所以橫向磁場(chǎng)永磁電動(dòng)機(jī)的控制手段可以借鑒無 刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)。4. 橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)存在的主要問題橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)雖具有高轉(zhuǎn)矩密度和高效率等優(yōu)點(diǎn)， 但同時(shí)也存在以下缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù)雜、漏磁嚴(yán)重、 自定位轉(zhuǎn)矩大和功率因數(shù)低。對(duì)于結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù)雜以及 漏磁嚴(yán)重的問題需從對(duì)電機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計(jì)來進(jìn)行改善。而自 定位轉(zhuǎn)矩大和功率因素低既可通過電機(jī)本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，也 可以通過采取有效的控制手段調(diào)節(jié)達(dá)到。下面主要闡述自定 位轉(zhuǎn)矩問題和功率因數(shù)低的問題。4. 1自定位轉(zhuǎn)矩問題tfpm的自定位轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子永磁體與定子

10、齒槽相互作 用而產(chǎn)生的，該力矩力圖使電機(jī)轉(zhuǎn)子定位于某一位置，其隨 轉(zhuǎn)子空間位置的變化而呈周期性變化。自定位轉(zhuǎn)矩的變化頻 率是電磁力矩基波的兩倍，采取多相結(jié)構(gòu)既可以提高電機(jī)輸 出轉(zhuǎn)矩，又可以造成部分自定位力矩的相互抵消。要最大限 度地抑制自定位力矩，各相定轉(zhuǎn)子間相位必須有恰當(dāng)?shù)腻e(cuò)位 設(shè)計(jì)4。在電動(dòng)汽車、艦船推進(jìn)及風(fēng)力發(fā)電等對(duì)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn) 性能要求較高的場(chǎng)合，自定位轉(zhuǎn)矩的有效抑制是提高橫向磁 場(chǎng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的關(guān)鍵之一。4.2功率因數(shù)低的問題tfpm的高轉(zhuǎn)矩輸出優(yōu)點(diǎn)伴隨著低的功率因數(shù)，雖然通過 電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提高功率因數(shù)，但其改善性能不佳5。 橫向磁場(chǎng)電機(jī)的磁通量比一般為1. 6-2. 6之間，因此在

11、使用 無刷驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，其功率因數(shù)只有0. 35-0. 55,而傳統(tǒng)電機(jī) 的功率因數(shù)接近lo功率因數(shù)低導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)tfpm的逆變器的臺(tái) 數(shù)和容量大增，系統(tǒng)成本也就大增，從而限制了 tfpm的應(yīng) 用范圍。5橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的應(yīng)用前景綜上所述，橫向磁場(chǎng)電機(jī)因其多樣的結(jié)構(gòu)形式和低速、 大轉(zhuǎn)矩特性正得到越來越多的關(guān)注，其應(yīng)用領(lǐng)域也日益擴(kuò) 展，從大功率的船用電力推進(jìn)到小功率的電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)，從直接驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)到直接驅(qū)動(dòng)的橫向磁場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究，從旋轉(zhuǎn)型到直線型橫向磁場(chǎng)電機(jī)等等。目前國(guó)際上關(guān)于橫向 磁場(chǎng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的研究雖然在電機(jī)模型建立、電機(jī)參 數(shù)計(jì)算、分析方法以及控制策略等基礎(chǔ)理論方面取得了初步 進(jìn)展，但

12、是對(duì)于其結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù)雜、漏磁嚴(yán)重、自定位 轉(zhuǎn)矩大和功率因數(shù)低等問題還有待于進(jìn)一步解決。隨著研究 的進(jìn)一步深入，橫向磁場(chǎng)電機(jī)將會(huì)在電力推進(jìn)、低速直接驅(qū) 動(dòng)、伺服傳動(dòng)和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域取得突破性的進(jìn)展，因此橫 向磁場(chǎng)電機(jī)的研究具有重要的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 hweh and hmay,achievable force densities forpermanent magnet excited machines in new configurations,proceedings of the international conference on electrical machines,19862 h weh,h hoffman and j landrath,new permanentmagnet excited synchronous machine with high efficiency at low speeds,proceedings of the international conference on electrical machines, 1988.3 江建中，李永斌，