一种新型双C型定子横向磁通永磁发电机
一种车用双极性横向磁通永磁电动机
第22卷第8期 2018年8月电机与控制学报Electric Machines and ControlVol.22 No.8Aug.2018一种车用双极性横向磁通永磁电动机孙强%,张为堂%,花为2(1.合肥学院电子信息与电气工程系，安徽合肥230601 ;2.东南大学电气工程学院，江苏南京210096)摘要：针对当前横向磁通永磁电机绕组磁链单极性影响电机出力进一步提高的问题，提出一种实现磁链双极性的横向磁通永磁电动机。
该电机采用外转子型，电枢绕组和永磁体都位于定子上，磁通路径分析表明绕组匝链的磁通为双极性。
基于电动机的基本结构和工作原理，依据电机设计理论推导出了电动机功率与尺寸之间关系式，采用有限元计算分析了电机主要尺寸对永磁磁链的影响。
以此为依据确定了一台三相600 W样机的尺寸，利用有限元法对静态特性和瞬态特性进行了仿真计算，包括空载时电机磁场分布和绕组反电势，为了验证理论分析的正确性，最后对制作的600 W样机进行了实验验证，实验结果与理论分析具有很好的一致性。
关键词：双极性磁通;横向磁通永磁电动机'有限元法；外转子'磁通路径D O I：10.15938/j.emc.2018.08. 006中图分类号:T M 351 文献标志码:A文章编号:1007-449X(2018)08-0041-06Magnetic field of vehicle bipolar transverse-fluxpermanent magnet motorSUN Qiang1，ZHANG Wei-tang1，HUAWei2(1. Department of Electronic and Electrical Engineering，Hefei University，Hefei 230601，C h ina；2. School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)Abstract:As Ur ordinary transverse-flux permanent-magnet motors，there i s a problem that t l i e flux unipolarity cannot make f u r t l i e r improvement on the output power or t o r<que.To slove the problem，the t verse-flux permanent-magnet motor w i t l i bipolar flux was proposed.The motor employs outer rotor and i t sarmature windings and p ermanent magnets are located in the stator.The flux path analysis showthat thewinding flux i s bipolar.According t o the basic structure，working principle and the design theory of m o-tor，relationship between motor power and i t s size was deduced，and influence of main dimensions of m ot o r on permanent magnet flux linkage was analyzed through f i n i t e element met!iod.The size o phase600 W prototype was determined，and i t s s t a t i c and transient characteristics were simulated throughf i n i t e element method including the magnetic f i e l d distribution and the back E M F a t norectness of the t heoretical analysis，the experiment on the600 W prototype was carried out and i t s resultsare in good agreement with the theoretical analysis.Keywords：bipolar flux；transverse-flux permanent-magnet motor；f i n i t e element method;outer rotor；flux path收稿日期：2017 -06-16基金项目：973项目（2013CB035605);国家自然科学基金优秀青年科学基金（51322705);安徽省自然科学基金（1508085ME87);合肥学院自然 科学基金(06K Y010Z R);安徽省高等学校自然科学研究（KJ2015B110590)作者简介：孙强（1968—)，男，博士，副教授，研究方向为电机与控制；张为堂（1976—)，男，博士，实验师，研究方向为电机与控制；花为（1978—)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为永磁电机本体设计与分析、电机控制策略、车用驱动电机系统等。
一种新型双C型定子横向磁通永磁发电机
致。
关键词 ：双 Ｃ型定子；有限元法；横 向磁通；永磁发 电机
ｒａ ｔ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｄ ｏ ｕ ｂ ｌ ｅ － ｓ ｉ ｄ ｅ ＴＦ Ｐ Ｍ Ｇｓ ．Ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｎｄ ａ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｉ ｒ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｗｅ ｒ ｅ ｄ ｅ ｓ ｃ ｉｂ ｒ ｅ ｄ ｉ ｎ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ．Ｔ ｈ ｅ
Ｊ Ｉ Ａ Ｚｈ ｏ ｕ， ＬＩ Ｎ Ｈｅ ｙ ｕ ｎ， ＨＵＡＮＧ Ｙｕｎ ｋ ａ ｉ ， Ｆｅ ｉ ｒ ｎ ｇ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ０ ｒ Ｍ０ ｔ ｉ ０ ｎ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｆ ＭＯ Ｅ ， Ｓ ｏ ｕ ｔ ｈ ｅ ａ ｓ ｔ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｎａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ ０ ０ ９ ６ ， Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｃ ｅ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｅ ｄ ｉ ｎ ｇ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ＣＳ Ｅ Ｅ
ＤＯＩ ：１ ０ ． １ ３ ３ ３ ４ ￣ ． ０ ２ ５ ８ － ８ ０ １ ３ ． ｐ ｃ ｓ ｅ ｅ ． ２ ０ １ ５ ． １ １ ． ０ ２ ２
【CN109861483A】一种横向磁通式电机及其制造工艺【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910257384.8(22)申请日 2019.04.01(71)申请人 江苏航科节能技术有限公司地址 226000 江苏省南通市永兴路14号29幢(72)发明人 李士武 李路 (51)Int.Cl.H02K 21/28(2006.01)H02K 1/17(2006.01)H02K 21/02(2006.01)H02K 16/00(2006.01)(54)发明名称一种横向磁通式电机及其制造工艺(57)摘要本发明公开了一种横向磁通式电机，包括由定子模块、转子模块和基座外壳组成的电机模组，所述定子模块环绕设置在转子模块的外部，所述基座外壳套接在定子模块外部，所述定子模块包括定子、励磁绕组和C形永磁铁，所述定子为软磁材质的空心圆筒结构，所述定子外表面开设有环形凹槽，所述励磁绕组固定设置在插孔中间的环形凹槽内。
与现有技术相比，可以大幅简化电机制造工艺过程和明显节约生产成本；使用本发明所述低速大力矩电机作为重型机械设备原动力，可以不用皮带轮和减速机等中间传动部件，大幅精简整机结构，直接驱动工作部件，使操作简单，维护方便，明显降低电力消耗，同时节约制造和运行成本。
权利要求书1页 说明书3页 附图3页CN 109861483 A 2019.06.07C N 109861483A权 利 要 求 书1/1页CN 109861483 A1.一种横向磁通式电机，包括由定子模块(1)、转子模块(2)和基座外壳组成的电机模组(4)，所述定子模块(1)环绕设置在转子模块(2)的外部，所述基座外壳套接在定子模块(1)外部，其特征在于：所述定子模块(1)包括定子(11)、励磁绕组(12)和C形永磁铁(13)，所述定子(11)为软磁材质的空心圆筒结构，所述定子(11)外表面开设有环形凹槽，环形凹槽底部两侧沿圆周等距离地设有数量为6的整数倍的穿心插孔，所述励磁绕组(12)固定设置在插孔中间的环形凹槽内，产生轴向磁通；所述C形永磁铁(13)固定设置在穿心插孔内，形成海尔贝克磁阵，产生径向磁通，两种磁通互相垂直，在定子(11)与转子之间气隙空间形成立体的三维空间磁场，在气隙磁场涟波驱动下转子做旋转运动，改变输入电压相序，转子反向旋转，所述转子是非磁材质结构，未设置绕组和磁钢。
一种横向磁通永磁电机[发明专利]
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专利名称：一种横向磁通永磁电机专利类型：发明专利
发明人：李大伟,谢康福,曲荣海,晏鹏申请号：CN201711350557.8
申请日：20171215
公开号：CN107919754A
公开日：
20180417
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种横向磁通永磁电机，包括转子和定子，转子包括永磁体和固定部分，永磁体包括多个切向充磁的磁钢和多个径向充磁的磁钢，一磁力线回路经过两个径向充磁的磁钢和至少一个切向充磁的磁钢，两个径向充磁的磁钢的充磁方向相反，径向充磁的永磁体和切向充磁的永磁体沿圆周方向排列成一排，切向充磁的磁钢与径向充磁的磁钢间隔排布，相邻的径向充磁的磁钢的充磁方向相反，与充磁方向指向定子的径向充磁的磁钢相邻的切向充磁的磁钢的充磁方向朝向充磁方向指向定子的径向充磁的磁钢。
设置切向充磁的磁钢和径向充磁的磁钢，提高永磁体的聚磁效果，改变磁路，保持高转矩密度同时，提高电机的功率因数，从而减小驱动器容量，降低应用成本。
申请人：华中科技大学
地址：430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号
国籍：CN
代理机构：华中科技大学专利中心
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一种双定子永磁直驱发电机[实用新型专利]
![一种双定子永磁直驱发电机[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/f39df7f0227916888586d72b.png)
专利名称：一种双定子永磁直驱发电机
专利类型：实用新型专利
发明人：张莹博,武春晓,肖珊彩,施文江,孔凡兵,潘磊申请号：CN201320031061.5
申请日：20130121
公开号：CN203039533U
公开日：
20130703
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型是有关于一种双定子永磁直驱发电机，包括前轴承组件、转子、内定子装配、外定子装配及后轴承组件：外定子装配包括发电机外壳以及安装在发电机外壳内的外定子，发电机外壳上设有安装孔；后轴承组件包括后法兰、后轴承支撑、后轴承以及转子后支撑，后法兰外圆周以及转子后支撑的外圆周和中部均设有沿圆周布置的安装孔；转子前端与前轴承组件的转子转盘固定连接，后端与转子后支撑固定连接；内定子装配的内定子支架的后侧与后轴承支撑固定连接；发电机外壳前端通过前法兰与前轴承组件连接，后端与后法兰固定连接。
本实用新型提供的风力发电机单位体积的输出功率大，大型发电机的装配工艺难度降低、成本减低。
申请人：国电联合动力技术有限公司
地址：100000 北京市海淀区中关村南大街乙56号方圆大厦16层
国籍：CN
代理机构：北京方韬法业专利代理事务所
代理人：遆俊臣
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【CN110224560A】一种双定子双转子永磁发电机【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910350832.9(22)申请日 2019.04.28(71)申请人 深圳市吉胜华力科技有限公司地址 518000 广东省深圳市宝安区航城街道洲石路598号富源工业城C16栋1楼(72)发明人 刘廷坤 周厚明 左如志 (74)专利代理机构 北京彭丽芳知识产权代理有限公司 11407代理人 彭丽芳(51)Int.Cl.H02K 16/00(2006.01)H02K 3/28(2006.01)H02K 11/00(2016.01)H02K 11/04(2016.01)H02K 11/20(2016.01)(54)发明名称一种双定子双转子永磁发电机(57)摘要本发明公开了一种双转子双定子永磁发电机，转子和定子在中心转轴上均设置二个，并固定在发电机中心转轴上，在中心转轴前后两端安装有前、后端盖，所述后端盖上安装有防护罩，防护罩内安装有整流电路。
本发明结构精简发电机结构布局，通过利用多个定子多个转子绕组集中并联发电的结构，在中心转轴上安装多组转子，通过多组转子与多组定子配合，可实现瞬时输出大量能量，为车身及车身上相关用电器进行供电，可有效减少电瓶配重，从而降低车身重量，达到节能环保的目的。
权利要求书1页 说明书2页 附图1页CN 110224560 A 2019.09.10C N 110224560A权 利 要 求 书1/1页CN 110224560 A1.双定子双转子永磁发电机，由转轴、前端盖、后端盖、定子、转子组成，其特征在于：所述转子在中心转轴上设置两个，并固定在发电机中心转轴上与双定子配合，在中心转轴前后两端安装有前、后端盖，所述后端盖上安装有防护罩；后端盖上安装整流电路及可控硅控制电路。
2.根据权利要求1所述的四定子永磁发电机，其特征在于：所述中心转轴通过轴承固定安装在发电机前端盖和后端盖上。
一种车用双极性横向磁通永磁电动机
一种车用双极性横向磁通永磁电动机孙强;张为堂;花为【摘要】针对当前横向磁通永磁电机绕组磁链单极性影响电机出力进一步提高的问题,提出一种实现磁链双极性的横向磁通永磁电动机.该电机采用外转子型,电枢绕组和永磁体都位于定子上,磁通路径分析表明绕组匝链的磁通为双极性.基于电动机的基本结构和工作原理,依据电机设计理论推导出了电动机功率与尺寸之间关系式,采用有限元计算分析了电机主要尺寸对永磁磁链的影响.以此为依据确定了一台三相600 W样机的尺寸,利用有限元法对静态特性和瞬态特性进行了仿真计算,包括空载时电机磁场分布和绕组反电势,为了验证理论分析的正确性,最后对制作的600 W样机进行了实验验证,实验结果与理论分析具有很好的一致性.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2018(022)008【总页数】6页(P41-46)【关键词】双极性磁通;横向磁通永磁电动机;有限元法;外转子;磁通路径【作者】孙强;张为堂;花为【作者单位】合肥学院电子信息与电气工程系,安徽合肥230601;合肥学院电子信息与电气工程系,安徽合肥230601;东南大学电气工程学院,江苏南京210096【正文语种】中文【中图分类】TM3510 引言随着能源枯竭和环境污染问题的日益突出，节能减排已经成为全人类的共同任务，大力开发和推广新能源汽车也成为中国政府努力的方向，尤其是电动汽车更是得到迅猛发展[1]。
车用驱动电机是电动汽车必不可少的部件，其性能的好坏直接影响着电动汽车的整车性能[2]，因此开发高功率转矩密度、高效率、宽调速的驱动电机系统已成为车用电机研究领域的热点。
目前，车用电机主要采用直流无刷电机、异步电动机、开关磁阻电机、永磁同步电动机[3]。
但这些电机存在一个共同缺陷：流过磁通的齿部与流过电流的线圈槽部占用同一截面。
因此，根据电机设计理论可知[4-5]，受发热和磁路饱和影响，磁密和电密是有限的，若想同时增大两者，只能增大电机直径，而电机的有效材料用量与电机直径的平方成正比，从而降低了电机的功率密度和转矩密度。
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DSFC-TFPMG 与传统横向磁通电机结构原理
相 同 ， 但 磁 路 完 全 不 同 。 如 图 2(a) 所 示 ，
DSFC-TFPMG 只有唯一的螺旋形磁路串联起所有
的定子和转子组件，具有径向、轴向和周向磁通且
磁通路径布满三维空间。如图 2(b)所示，单相
DSFC-TFPMG 的一对极中磁通依次经过：永磁体
2 DSFC-TFPMG 的样机设计
2.1 样机尺寸计算 DSFC叠片→气隙→定子→气隙→转子叠片→永
磁体。
轴向 磁通
径向 磁通
绕组
横向 磁通
NS S
(a) 磁通示意图
转子叠片 永磁体 定子铁心 (b) 一对极的磁通路径
图 2 DSFC-TFPMG 的磁通原理(一对极)
Fig. 2 Flux principal of DSFC-TFPMG (one pole pair)
横向磁通电机的空间利用率。DSFC-TFPMG 的定
子铁心和转子叠片均由硅钢片叠装以获得较高的
磁通密度和较低的涡流损耗，相对于价格昂贵、易
饱 和 、 涡 流 损 耗 大 的 软 磁 材 料 (soft magnetic composite，SMC)有明显的优势[21-23]。
1.2 DSFC-TFPMG 的工作原理
KEY WORDS: double-C stator; finite element method (FEM); transverse flux; permanent magnet power generator
摘要：横向磁通永磁电机以电负荷和磁负荷在空间上相互解 耦，能获得较高的功率密度而闻名。因其同时具有低速、大 转矩及多极数的优点而适用于直驱风力发电系统。与传统横 向磁通永磁发电机相比，该文提出的新型双 C 型定子聚磁 式转子的横向磁通永磁发电机空间利用率得到明显提高。对 发电机的基本结构和运行原理作了详细的描述。为了验证双
2832
中国电机工程学报
第 35 卷
本课题组也对横向磁通电机做了研究，提出了新型 磁 通 切 换 型 横 向 磁 通 永 磁 发 电 机 (flux switching transverse flux PM generator，FS-TFPMG)，并对其 齿槽转矩进行了深入分析，该电机利用磁通切换原 理提高了定子空间利用率和气隙的磁密[17-19]。
1 DSFC-TFPMG 的基本结构和工作原理
1.1 DSFC-TFPMG 的基本结构 图 1 给出了单相 DSFC-TFPMG 的拓扑结构，
主要包括双 C 型定子铁心、对置的永磁体、转子叠 片和集中绕组。它的内定子由开口朝向相反放置的 两组 C 型定子铁心组成，每组内相邻铁心间隔 2 倍 极距，两组铁心个体之间间隔一倍极距，并背向安 放于定子支架上预先铣好的空腔中。该电机的各定 子铁心尺寸相同，且都可用硅钢片叠制而成，加工 制造简单。
b
定子铁心
图 1 单相 DSFC-TFPMG 结构图
Fig. 1 Schematic structure of one phase DSFC-TFPMG
每对永磁体的磁极方向相反，任意相邻永磁体对之
间相邻的任意两个永磁体的磁极方向也相反。周向
电枢绕组放置在定子铁心槽内为两组定子铁心共
用，并与定子极在空间上独立，此结构可显著提高
基金项目：国家自然科学基金项目(51077012)；江苏省 2012 年度普 通高校研究生科研创新计划项目(CXLX12_0094)；江苏省产学研前瞻性 联合研究项目(BY2011151)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51077012); 2012 Foundation Project of Technology Innovation for Graduate in Jiangsu Province of China (CXLX12_0094); The Department of Science and Technology of Jiangsu Province of China (BY2011151).
一种新型双 C 型定子横向磁通永磁发电机
贾周，林鹤云，黄允凯，房淑华
(东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心，江苏省 南京市 210096)
A Novel Transverse Flux Permanent Magnet Generator With Double-C Stator Hoops
JIA Zhou, LIN Heyun, HUANG Yunkai, FANG Shuhua
关键词：双 C 型定子；有限元法；横向磁通；永磁发电机
0 引言
横向磁通永磁电机(transverse flux permanent magnet machine ， TFPMM)原 型 机 是由 德 国 教 授 H.WEH 提出的[1]。其绕组与磁路在结构上完全解 耦，巧妙避开了传统径向和轴向电机铁心和电枢截 面相互制约的矛盾，可以独立调整线圈截面积和磁 路尺寸来确定电机的电磁负荷，获得更高的功率密 度和转矩密度。由于风能密度低捕获难度大，导致 风力发电机通常有着巨大的尺寸和较低的功率密 度，而横向磁通永磁电机具有低速、大转矩以及多 极数的优点，非常适用于直驱风力发电系统[2-3]。国 外研究机构对横向磁通电机开展了大量的研究工 作，提出了一些应用于不同场合的新颖结构的横向 磁通永磁发电机[4-5]。瑞典 KTH 大学和荷兰 Delft 大学均致力于新型结构的兆瓦级横向磁通永磁发 电机的研究，并在提高功率密度方面取得了显著成 果[6-8]。美国路易斯安那州立大学 Dobzhanskyi 教授 等提出一种内定子外转子三相发电机，定子具有 3 个由磁极排列并安放在定子开槽中的环，外转子也 具有 3 个环，每个环有两排永磁体构成，并与定子 上的一个环相对应[9]。国内上海大学和沈阳工业大 学较早开展横向磁通电机的研究[10-11]，哈尔滨工业 大学、华中科技大学、浙江大学和兰州理工大学也 在结构创新和样机制造及控制方面取得进展[12-16]。
该电机外转子由转子盘、转子叠片及永磁体构 成：转子叠片采用沉头螺丝固定于非导磁转子盘凸 台上，并通过预应力夹住对置的永磁体以达到聚磁 效果，从而提高电机的气隙磁密。永磁体采用钕铁 硼材料，并分别嵌入转子内侧两个盘面正对定子铁 心的位置。转子永磁体的数量是定子铁心的 2 倍。
绕组
固定轴
a
永磁体
转子叠片
(Engineering Research Center for Motion Control of MOE, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China)
ABSTRACT: Transverse flux permanent magnet generator is well-known for the decoupled electric load and magnetic load to harvest high power density. It is applied in direct-drive wind power generation for the merits of low speed, large torque capability and considerable pole numbers. This paper presents a novel transverse flux permanent magnet generator with double-C stator and flux-concentrated rotor (DSFC-TFPMG), which has almost twice the flux linkage compared with traditional double-side TFPMGs. The structure and operation principle of the generator were described in detail. The three-dimensional (3D) finite element method (FEM) was employed to compute the no-load magnetic field distributions. Static characteristics, including flux density waveform, EMF waveform and inductance waveform of the armature winding, were obtained to verify the principle and feasibility of the generator with double-C stator hoops. The cogging torque of the presented generator was also analyzed and verified by the 3D FEM. The FEM results show that the generator has significantly increased power density due to the double-C stator structure. A prototype is fabricated and some experiments are conducted, which results verify the analysis preview well.
C 型结构在原理上的可行性，采用三维有限元分析计算了空 载磁场分布，对其静态特性和瞬态特性包括磁通密度、电枢 反电势，以及电枢自感波形进行了研究，对发电机的齿槽转 矩也进行了分析。结果表明，双 C 型定子结构可以显著提 高横向磁通永磁发电机的功率密度。最后设计研制了一台 三相 1 kW 样机，并进行了实验，实验结果与理论分析基本 一致。