橫向磁場永磁電機發(fā)展及探究現(xiàn)狀

1、橫向磁場永磁電機發(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】橫向磁場永磁電機因其高轉(zhuǎn)矩密度和 高效率的優(yōu)點，吸引各國電機設(shè)計人員們對其結(jié)構(gòu)設(shè)計、制 造工藝、磁場分析及運行性能等方面展開了具體研究。在查 閱現(xiàn)有的國內(nèi)外相關(guān)文獻資料的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)介紹了橫向磁 場永磁電機的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點，分析了當(dāng)前國內(nèi)外橫向 磁場電機的主要研究方向，最后對其應(yīng)用前景進行了展望。【關(guān)鍵詞】橫向磁場；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；自定位轉(zhuǎn)矩；功率因 數(shù)1. 引言橫向磁場永磁電機(transverse flux permanent magnet machine,簡稱tfpm)是由德國著名電機專家h

2、. weh教授率 先于1986年提出的一種新型電機結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)電機相比， 橫向磁場電機具有以下特點(1) 電機的每相都完全獨立，因此相與相之間沒有電 磁耦合，可提高電機的容錯能力。(2) 電機磁路呈三維分布，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立，從而使tfpm 能夠同時獲得較大的定子齒橫截面和線圈橫截面，大大提高 了電機的轉(zhuǎn)矩密度，其輸出大約是標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用異步電機的510 倍。(3) 在保持轉(zhuǎn)速、電機主要尺寸、氣隙磁密等參數(shù)不 變時，tfpm的功率與電機的極對數(shù)成正比，適用于低速、大 轉(zhuǎn)矩場合。近幾年來，隨著電動車、電力直接推進裝置和風(fēng)力發(fā)電 技術(shù)研究的深入，對高轉(zhuǎn)矩

3、密度、低速直接驅(qū)動電機的要求 更為迫切，于是橫向磁場永磁電機因其上述優(yōu)點成為了新型 電機的研究熱點之一。許多歐美經(jīng)濟發(fā)達國家投入了大量的 人力、物力和財力進行橫向磁場電機的理論和應(yīng)用研究，豐 富了橫向磁場永磁電機的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，促進了橫向磁場電機的 發(fā)展。本文較系統(tǒng)地介紹分析了當(dāng)前橫向磁場永磁電機的主 要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，闡述了當(dāng)前國內(nèi)外橫向磁場電機的主要研究方 向和方法，并對橫向磁場電機存在的問題也做了簡單介紹。2. 橫向磁場電機的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式按照永磁體的有無及安裝方式來分，橫向磁場電機拓?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為德國亞琛的g. henneberger教授設(shè)計的

4、外轉(zhuǎn)子平 板式橫向磁場永磁電機。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， 其兩個齒分別對應(yīng)不同極性的永磁體。電機通電后，定子磁 場通過轉(zhuǎn)子兩邊相對齊的鐵心閉合。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)簡單如圖1 (a),但是永磁體利用率相對較低，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原型機就是一種典型的雙邊聚磁式橫向磁場永磁 機，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形成一對極， 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) 外齒錯開一個極距。當(dāng)定子繞組通電時，定子鐵心磁場通過 定子的一個齒，周向穿過轉(zhuǎn)子，到達另一個與之錯開一個極 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)，但電機結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜。無源轉(zhuǎn)子式橫向磁場永磁電機最初是由加拿大calgary 大學(xué)b. ehasubek等人于1999年設(shè)計的。該設(shè)計是將聚磁式 橫向磁場永磁電機轉(zhuǎn)子上的永磁體等效地轉(zhuǎn)移到定子上，同

6、 時將轉(zhuǎn)子鐵心傾斜一個極距。該結(jié)構(gòu)由于永磁體被移動到了 定子上，減輕了轉(zhuǎn)子振動對永磁體的影響，利于散熱，延長 了永磁體的壽命；簡化了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，提高了可靠性和平衡性, 但是該電機也存在永磁體用量大的缺點。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)矩使電機運動。該電機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本 低等優(yōu)點，但同時存在轉(zhuǎn)矩密度低的缺點，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 3所示。3. 橫向磁場永磁電機的研究現(xiàn)狀橫向磁場永磁電機作為電力推進機的一個重要的研究 方向，在國內(nèi)外得到了廣泛的研究，其研究方向主要集中在 以下三個方面：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，磁場計算分析和電機控制策 略。簡化磁路結(jié)構(gòu)和制造工藝一直是橫向磁場永磁電

7、機的 研究熱點。國外在h. weh原型機的基礎(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)，并針對電機結(jié)構(gòu)的優(yōu) 缺點，對電機結(jié)構(gòu)進行了許多改善。相比之下，國內(nèi)對橫向 磁場永磁電機的研究還處于起步階段。國內(nèi)許多高校和科研 機構(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 了 e型鐵心聚磁式，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計的新型單邊、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 g. henneberger平板式tfpm結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進設(shè)計出的一種外 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)tfpm等等。電磁場的計算分析不僅可指導(dǎo)電機結(jié)構(gòu)的設(shè)計，而且可 直接應(yīng)用于tfpm的性能分析。不同于傳統(tǒng)的電機已經(jīng)形成 了成熟

8、的電機設(shè)計理論和技術(shù)，且橫向磁場永磁電機磁路呈 三維分布，不同于傳統(tǒng)電機的二維場，因此需要對tfpm三 維場建模進行分析。三維模型有限元計算要比二維模型數(shù)據(jù) 量多很多，為了提高計算效率，在建模時，需要根據(jù)電機的 結(jié)構(gòu)特點，對求解模型進行合理的簡化。國內(nèi)針對tfpm的 磁場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。橫向磁場永磁電機是一種各相繞組間相互獨立的永磁 同步電機，因此可認(rèn)為tfpm是由n個空間對稱分布，結(jié)構(gòu) 獨立的單相同步電機構(gòu)成。由變頻器供電的永磁同步電動機 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，既具有 電勵磁直流電動機的優(yōu)異調(diào)速性能，又

9、實現(xiàn)了無刷化，若反 電勢波形和供電電流波形都是矩形波的電動機，則為無刷直 流電動機，所以橫向磁場永磁電動機的控制手段可以借鑒無 刷直流電動機的控制系統(tǒng)。4. 橫向磁場永磁電機存在的主要問題橫向磁場永磁電機雖具有高轉(zhuǎn)矩密度和高效率等優(yōu)點， 但同時也存在以下缺點：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)重的問題需從對電機本體優(yōu)化設(shè)計來進行改善。而自 定位轉(zhuǎn)矩大和功率因素低既可通過電機本體的優(yōu)化設(shè)計，也 可以通過采取有效的控制手段調(diào)節(jié)達到。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位 設(shè)計4。在電動汽車、艦船推進及風(fēng)力發(fā)電等對轉(zhuǎn)矩平穩(wěn) 性能要求較高的場合，自定位轉(zhuǎn)矩的有效抑制是提高橫向磁 場電機驅(qū)動性能的關(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)點伴隨著低的功率因數(shù)，雖然通過 電磁優(yōu)化設(shè)計可以提高功率因數(shù)，但其改善性能不佳5。 橫向磁場電機的磁通量比一般為1. 6-2. 6之間，因此在

11、使用 無刷驅(qū)動方式時，其功率因數(shù)只有0. 35-0. 55,而傳統(tǒng)電機 的功率因數(shù)接近lo功率因數(shù)低導(dǎo)致驅(qū)動tfpm的逆變器的臺 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橫向磁場永磁電機的應(yīng)用前景綜上所述，橫向磁場電機因其多樣的結(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 展，從大功率的船用電力推進到小功率的電動車驅(qū)動，從直接驅(qū)動的電動機到直接驅(qū)動的橫向磁場風(fēng)力發(fā)電機的研究，從旋轉(zhuǎn)型到直線型橫向磁場電機等等。目前國際上關(guān)于橫向 磁場電機及其控制系統(tǒng)的研究雖然在電機模型建立、電機參 數(shù)計算、分析方法以及控制策略等基礎(chǔ)理論方面取得了初步 進展，但

12、是對于其結(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一步解決。隨著研究 的進一步深入，橫向磁場電機將會在電力推進、低速直接驅(qū) 動、伺服傳動和風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域取得突破性的進展，因此橫 向磁場電機的研究具有重要的理論價值和實用價值。參考文獻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，