新型横向磁通永磁电机磁场研究
横向磁场永磁电机的发展和研究现状
横向磁场永磁电机的发展和研究现状【摘要】横向磁场永磁电机因其高转矩密度和高效率的优点，吸引各国电机设计人员们对其结构设计、制造工艺、磁场分析及运行性能等方面展开了具体研究。
在查阅现有的国内外相关文献资料的基础上，系统介绍了横向磁场永磁电机的主要拓扑结构的特点，分析了当前国内外横向磁场电机的主要研究方向，最后对其应用前景进行了展望。
【关键词】横向磁场；拓扑结构；自定位转矩；功率因数1.引言横向磁场永磁电机（Transverse Flux Permanent Magnet Machine，简称TFPM）是由德国著名电机专家H.Weh教授率先于1986年提出的一种新型电机结构，与传统电机相比，横向磁场电机具有以下特点[1][2]：（1）电机的每相都完全独立，因此相与相之间没有电磁耦合，可提高电机的容错能力。
（2）电机磁路呈三维分布，磁路与电路（线圈部分）处于不同平面，定子尺寸和线圈尺寸相互独立，从而使TFPM能够同时获得较大的定子齿横截面和线圈横截面，大大提高了电机的转矩密度，其输出大约是标准工业用异步电机的5~10倍。
（3）在保持转速、电机主要尺寸、气隙磁密等参数不变时，TFPM的功率与电机的极对数成正比，适用于低速、大转矩场合。
近几年来，随着电动车、电力直接推进装置和风力发电技术研究的深入，对高转矩密度、低速直接驱动电机的要求更为迫切，于是横向磁场永磁电机因其上述优点成为了新型电机的研究热点之一。
许多欧美经济发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行横向磁场电机的理论和应用研究，丰富了横向磁场永磁电机的拓扑结构，促进了横向磁场电机的发展。
本文较系统地介绍分析了当前横向磁场永磁电机的主要拓扑结构，阐述了当前国内外横向磁场电机的主要研究方向和方法，并对横向磁场电机存在的问题也做了简单介绍。
2.横向磁场电机的拓扑结构形式按照永磁体的有无及安装方式来分，横向磁场电机拓扑结构可以分为四类：平板式、聚磁式、无源转子式和磁阻式[3]。
横线磁通电机的研究意义和价值
横线磁通电机的研究意义和价值
横线磁通电机是一种新型高效率电机，具有高转矩、低噪音、低损耗等优点，因此具有广泛的应用前景。
其研究意义和价值主要体现在以下几个方面：
1. 提高电机效率：传统电机存在转矩波动、损耗大等问题，而
横线磁通电机采用新型磁路结构和控制方法，能有效提高电机效率，降低能耗和排放。
2. 促进电动化发展：随着能源紧缺和环境污染的加剧，电动化
已成为未来发展的趋势，而横线磁通电机作为高效电机，可广泛应用于电动汽车、轮船、飞机等领域，推动电动化发展。
3. 推动新能源产业发展：横线磁通电机可与新能源技术相结合，如风能、太阳能等，形成高效、环保的新能源系统，为新能源产业发展提供技术支持和保障。
4. 提高国家竞争力：掌握横线磁通电机的研究和应用，能够提
高我国在高效电机领域的技术水平和市场竞争力，推动国家经济发展。
综上所述，横线磁通电机的研究意义和价值在于提高电机效率、促进电动化发展、推动新能源产业发展和提高国家竞争力。
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横向磁场永磁电机的发展和研究现状
而产 生杂 散磁 通 ，从而 削弱 主磁 通 。有 导磁 设计 出的一种 外转 子 结构ＴＰ 等 等 。 ＦＭ （ ）电机 的每 相 都完 全 独 立 ， 因此 相 回路通 过带辅 助 磁桥 ，可提 高永 磁体 的利 用 １ 电磁 场 的计 算 分 析 不 仅 可 指 导 电机 结 与相之 间 没有 电磁耦 合 ，可提 高 电机 的容错 率 ，但 结构会 较 为复杂 。 图１（ ）就 是加 了 构 的设 计 ，而且 可直接 应用 于Ｔ Ｐ 的性 能分 ｂ ＦＭ 能力 。 Ｉ 形导磁 回路 。Ｉ 形导磁 回 路做成 特殊 的三 角 析 。不 同于传 统 的 电机 已经 形成 了成 熟 的 电 机 设计 理论 和技 术 ，且横 向磁 场永磁 电机 磁 路 呈三 维分布 ，不 同于传 统 电机 的二 维场 ， 因此需 要对Ｔ Ｐ 三维 场建 模进 行分析 。三 维 ＦＭ 模 型有 限元 计 算 要 比二 维 模 型 数 据 量 多 很
性 的永磁 体 。 电机通 电后 ，定子磁 场通 过转 子两 边相 对齐 的铁 心 闭合 。平板 式结构 可 以 分 为无 导磁 回路和 有 导磁 回路两 种 。无 导磁 回路 结构 简单 如 图ｌ（ ） ，但是 永磁 体利用 ａ 率 相对较 低 ，一 半的永 磁体 因没 有导 磁回 路
也 相 应 提 出 了 自己 的Ｔ Ｐ 拓 扑 结 构 。如 上 ＦＭ
了展 望 。
【 关键词 】横 向磁场 ；拓扑结 构； 自 定位转矩 ；功率 因数
双向交链横向磁通圆筒型直线永磁同步电机的基础分析
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要横向磁通电机作为一种新型电机，实现了电机电负荷磁负荷的解耦，可以大幅度提高电机的推力密度，这种低速大推力的电机显示了广阔的应用前景，因此对这类电机的研究是很有价值的。
本文在已有横向磁通电机的基础上提出了一种新型双向交链横向磁通圆筒型直线永磁同步电机，很好的解决了传统横向磁通电机两个相邻初级铁心间隔一个极距的缺陷，大大提高的电机的推力密度。
本文在对这种电机的理论研究下，得到了BCTF电机的设计方法，并制作了样机进行验证。
本文首先对BCTF电机的磁路模型进行了分析，得到了电机空载反电势、电磁推力、每相电阻、每相电感的表达式，构建了完整的数学模型。
在分析磁路模型之后，对电机的参数尺寸进行了分析，得到了电机的主尺寸对推力密度的关系，在保证推力密度最大的前提下设计电机的初级、次级尺寸，得到了完整的BCTF电机的设计流程。
对所得尺寸电机进行有限元分析，验证设计方法。
采用ANSOFT12软件，对电机的齿宽、极距、初级单元厚度等进行了仿真分析，在保证推力密度的前提下尽量减小电机定位力与漏磁，得到电机的优化尺寸制作一台380W三相圆筒型样机，对所得样机进行实验分析，测得反电势、推力、电阻值，通过实验与仿真结果，验证BCTF电机设计方法的准确性。
关键词：双向交链；横向磁通；圆筒型电机；磁场解析：有限元分析- I -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractThe transverse flux configuration motor as a new motor carry out the decoupling of the electrical load and the magnet load.which can greatly improve the motor’s thrust density.the l ow-speed high-thrust motors show a broad application prospects.the motor is valuable.In this paper, a new Bidirectional Crosslinking transverse flux cylindrical linear permanent magnet synchronous motor (BCTFCLPMSM) has been proposed based on transverse flux motor, to solve the the defect of traditional transverse flux motor interval of two adjacent primary core.thereby the of the motor's thrust density has been greatly increased. In this paper, the theoretical study of this motor and get the way of BCTF motor design and produced a prototype for validation.This article firstly analyzed BCTF motor circuit, and get the motor no-load EMF, electromagnetic force, per phase resistance, inductance per phase expression, building a complete model.After analyzing the magnetic circuit model, the parameters of the motor size was analyzed, and get the relationship between thrust densityand the main dimensions of the motor, under the premise of the thrust density ensuring the highest, get a complete BCTF The motor design process.Then use finite element analysis to verify design methods. By ANSOFT12 software, the motor tooth width, pole distance, the thickness of the primary unit of a simulation analysis, the premise of ensuring the thrust density to minimize orientation force and leakage flux motor positioning to get optimal size of the motor.Made a 380W motor,After the analysis of the obtained experimental prototype, the EMF, thrust, resistance, through experimental and simulation results to verify the accuracy of BCTF motor design.Keywords: Bidirectional Crosslinking; transverse flux;cylinder motor; field analysis;finite element analysis- II -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 课题的背景及意义 (1)1.1.1 课题的来源与意义 (1)1.1.2 横向磁通电机的概述 (2)1.1.3 横向磁通圆筒型直线电机的概述 (2)1.2 横向磁通电机的国内外研究现状 (4)1.2.1 横向磁通电机结构研究现状 (4)1.2.2 国内外横向磁通直线电机的研究现状 (13)1.2.3 国内外横向磁通电机的三维电磁场分析方法 (16)1.2.4 横向磁通电机设计方法总结 (17)1.3 论文的主要研究内容 (18)第2章BCTF圆筒型直线电机的工作原理和数学模型 (19)2.1 BCTF圆筒型直线电机的基本结构 (19)2.1.1 初级结构 (20)2.1.2 次级结构 (22)2.1.3 BCTF圆筒型直线电机的绕组 (22)2.2 BCTF圆筒形直线电机的运行原理 (23)2.3 BCTF圆筒型直线电机的磁场分析 (25)2.4 BCTF圆筒型直线电机数学模型的建立 (27)2.4.1 BCTF圆筒型直线电机的空载反电势 (28)2.4.2 BCTF圆筒型直线电机的电阻参数 (30)2.4.3 BCTF圆筒型直线电机的电感参数 (32)2.4.4 BCTF圆筒型直线电机的推力方程 (36)2.5 小结 (37)第3章BCTF圆筒型直线电机设计方法的研究 (39)- III -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.1 引言 (39)3.2 BCTF圆筒型直线电机电磁设计 (39)3.2.1 BCTF圆筒型直线电机的主要尺寸 (41)3.2.2 BCTF圆筒型直线电机的初级尺寸设计 (45)3.2.3 BCTF圆筒型直线电机的次级尺寸设计 (49)3.3 小结 (51)第4章BCTF圆筒型直线电机的优化仿真 (52)4.1 引言 (52)4.2 仿真模型的建立 (52)4.3 BCTF圆筒型直线电机尺寸优化 (55)4.3.1 电磁力的优化分析 (55)4.3.2 定位力的优化分析 (58)4.3.3 功率因数与电机漏磁的优化分析 (59)4.4 小结 (63)第5章电机的特性分析 (64)5.1 引言 (64)5.2 实验平台的构建 (65)5.3 BCTF圆筒型直线电机的特性研究 (66)5.4 样机存在的问题以及改进 (69)5.5 小结 (71)结论 (72)参考文献 (73)攻读学位期间发表的学术论文 (76)哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 (77)致谢 (78)- IV -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题的背景及意义1.1.1课题的来源与意义近年来，大功率的电气传动技术得到了飞速的发展，但安装空间的不足制约了其进一步的发展，为此对于低速、大推力密度电机的研究越来越广泛，由于传统电机齿槽设计之间的矛盾，很难达得到较高的推力密度，由此，横向磁通永磁直线电机（Transverse Flux Linear Permanent-magnet Synchronous motor,简称TFLPMSM）应运而生。
横向磁通电机的三维磁场分析与计算
微电机２００４年第３７卷第２期（总第１３７期）设计与。
研究·ＤＥＳＩＧＮ＆ＲＥＳＥＡＲＣＨ…～…～一一…一一～～一…～一’．横向磁通电机的三维磁场分析与计算王晓远，任娜，刘艳，闫杰（天津大学，天津３０００７２）摘要：采用ＡＮＳＹＳ有限元软件对横向磁通电机进行了三维磁场分析与计算，模拟了横向磁通电机定于铁心与磁体在不同相对位置下的磁密分布。
找出了电机空载时定子轭部磁密的变化，求出了电机空载反电势，并绘制了相应的曲线，为横向磁通电机的优化设计奠定了基础。
关键词，横向磁通电机；ＡＮＳＹＳ｜磁场分析中臣分类号：ＴＭＳ０２文献标识码：Ａ文章缡号：１００１—６８４８（２００４）０２－－００１２一０３ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｆ３ＤＭａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄｏｆＴＦＭＷＡＮＧＸｉａｏ～ｙｕａｎ，ＲＥＮＮａ，ＬＩＵＹａｈ，ＹＡＮＪｉｅ（ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：３ＤｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｏｆＴＦＭｉｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇＡＮＳＹＳ．Ｍａｇｎｅｔｉｃｄｅｎｓｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｈｅｎｔｈｅｓｔａｔｐｒａｎｄｍａｇｎｅｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｌａｔｉｖｅｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｃｈａｎｇｅｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｄｅｎｓｉｔｙｉｎｔｈｅｓｔａｔｏｒｙｏｋｅａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅｆｏｒｃｅｗｉｔｈｎｏｌｏａｄｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｒｄａｌｓｏｄｒａｗｎ．Ｉｔｅｓｔａｂ—ｌｉｓｈｅｓｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＴＦＭｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＴＦＭｆＡＮＳＹＳ；ｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｎａｌｙｓｉｓｌ引言２０世纪８０年代后期，德国不伦瑞克理工大学的ＨｅｒｂｅｒｔＷｅｈ教授和他的合作者提出了一种新型布局技术的永磁电机——横向磁通电机（ＴＦＭ）。
新型盘式横向磁通永磁电机及其空载电动势波形的解析计算_宫晓
图 2 中 p 为每极磁体的极弧系数，各磁体单元 极弧系数相同； j 为第 j 个转子单元每极极距； hm 为磁体磁化方向长度（即磁体轴向厚度） ；h 为定子 铁心极两极端间距离。 可以看出，无论永磁体剩磁通密度度矢量 Br 还是定子虚拟电流产生的虚拟磁场强度 H a 都只有 轴向分量，且都是 x 的函数，分别表示为 Br j( x) 和 H a j( x)，因此对本电机来说，转子第 j 单元永磁体产 生的永磁磁链 f j 可表示为
国家自然科学基金资助项目（ 51277111 ）。 收稿日期 2011-04-22 改稿日期 2011-08-10
[1,2]
1
引言
横向磁通永磁电机因其特殊的磁路结构获得了 ， 在风力
比普通永磁电机更高的功率和转矩密度
[3]
发电 、低速电驱动等领域有重要应用价值并得到 了一定的实际应用。横向磁通永磁电机一般为普通 径向磁场电机，将横向磁通磁路结构应用于轴向磁 场永磁电机中便得到了盘式横向磁通永磁电机
3
3.1
新型电机空载电动势波形解析计算
基于永磁体体积积分的永磁电机空载电动势 波形解析计算方法 电磁场有限元方法是获得永磁电机空载电动势
波形的常用方法，但使用有限元方法尤其是三维有 限元方法建模繁琐， 耗时巨大且不宜进行优化设计。 采用解析法求解永磁电机空载电动势波形对电机的 设计，尤其是电机的初始及优化设计具有重要意义。 解析法计算永磁电机空载电动势波形通常需要求解 气隙永磁磁通密度的分布，在径向磁场电机中则需 要求解二维微分方程 [7] ，轴向磁场盘式电机中需求 解三维微 分 方程 [8,9] 。然 而横向磁 通 永磁电机 由 于 其结构的特殊性，很难求得气隙永磁磁通密度的解 析表达式，盘式横向磁通永磁电机的气隙永磁磁通 密度的解析求解尤为困难。
横向磁通开关磁链永磁直线电机的拓扑结构研究
鲁东大学学报（自然科学版）Journal of Ludong University( Natural Science Edition)2018,4(1) ：14—19横向磁通开关磁链永磁直线电机的拓扑结构研究赵玫，魏尧，杨洪勇，邓冠龙，徐明铭(鲁东大学信息与电气工程学院，山东烟台264039)摘要:横向磁通开关磁链永磁直线电机的磁通路径与电枢绕组中的电流在空间上相互垂直，实现了电负荷与 磁负荷的解耦，从而使其力密度得到提高.针对横向磁通开关磁链永磁直线电机，本文阐述了横向磁通永磁 直线电机的磁路结构和工作原理,提出了几种拓扑结构.通过有限元数值计算分析并对比了不同拓扑结构电 机的气隙磁场分布、绕组磁链、反电势等特性曲线，为确定最佳拓扑结构奠定了基础.关键词:横向磁通;开关磁链;永磁直线电机;拓扑结构中图分类号:TM359.4文献标志码：A文章编号：1673-8020(2018 )01-0014-06近年来，随着磁悬浮列车、舰船电力推动等大 功率电气传动技术的发展，人们对高推力密度电 机的需求日益迫切.提高电机的推力密度是电机 设计领域的重要研究课题[1].对于传统磁路结构 的电机，可通过优化设计、选用高性能的磁性材料 来提高出力，但其效果有限，使得在某些领域仍然 采用旋转电机配合滚珠丝杠的方式.若要大幅度 提高推力密度，必须从结构和原理上提出新的思 想•横向磁通开关磁链永磁直线电机（transverse flux flux-switching permanent magnet linear machine ，TFFSPMLM )结合了横向磁通永磁直线电机和开 关磁链直线电机双重特点[2—10].通过改变磁路结 构，使电负荷和磁负荷相互解耦，从而在一定范围 内通过提高磁能变化率来提高电磁力•其绕组和 永磁体放置在较短的动子侧，定子是由硅钢片叠 压而成，结构简单，推力密度较高，具有较好的容 错性[11].本文首先阐述横向磁通开关磁链永磁直 线电机的磁路结构和工作原理，在此基础上提出 四种拓扑结构，以气隙磁密、绕组磁链、反电势作 为优化目标，通过有限元数值计算分析该电机的 气隙磁场分布、绕组磁链等特性曲线，从而为确定 最优的拓扑结构提供参考依据[12—1].1TFFSPMLM 的结构特点本文提出了一种新型高力密度、高可靠性的横向磁通开关磁链永磁直线电机.如图1，其定子 由两个c 型定子铁心组成，其内部三面墙（上、 下、中）均匀设置有多个间距相等的条形槽，定子 上、下齿相对，中间齿分别与上下槽相对，c 型定 子以镜像方向分别设置于动子的两侧，结构简单; 动子由永磁体、U 型凸极铁心、连接板和电枢绕组 组成.连接板的两端分别各有三个凸极铁心，每个 凸极铁心有3个U 型齿，U 型齿中间嵌有切向充 磁的永磁体（N -S -N ).三组单相动子模块放置在定子中，相与相之 间沿运动的方向距离120度的电角度组成横向磁 通开关磁链永磁直线电机的三相结构，三相结构 示意图如图2所示.收稿日期：017-12-20;修回日期：017-01-05基金项目：国家自然科学基金（51407088)第一作者简介:赵玫（1983—)，女，山西晋中人，副教授，博士，研究方向为嵌入式系统.E -m ail :m eip em a lity @126.om第1期赵玫，等:横向磁通开关磁链永磁直线电机的拓扑结构研究15图4原始模型结构图5为原始模型气隙磁密的波形，其上部和 下部气隙磁密的左右两端各有一段异常高的磁通 密度，数值高于1. 4 T .通过上章介绍的磁通回路 原理（见图3 )，横向磁通开关磁链永磁直线电机 的主磁通路径是指永磁体1，2的N 极通过聚磁， 沿着电机中部的气隙，通过初级、次级流到永磁体 2和3的S 极;而永磁体1，4的S 极，永磁体3,6 的N 极并不是主磁通的组成成分.两侧异常高的 数值反映了这段漏磁的磁密.20 t -------上部气隙15--------中部气隙 ^^…下部气Iff、_0 510 1520 25 30 35位移/mm图5原始模型的气隙磁密波形主磁通的磁密是位移在10 mm 和15 mm 之间的这一段气隙磁密.通过气隙的磁密图得出，上 部和下部的主磁通磁密为0. 5 T ，中部的气隙由 于聚磁效应，可达到0.6 T .相比于气隙磁密，绕组磁链更能直观的反映 出横向磁通开关磁链永磁直线电机是否具有横向 磁通的特性.图6所示的绕组磁链电机上部绕组 的合成磁链与下部绕组的合成磁链大小相同、方 向相反;而中部绕组的合成磁链恰好等于上下绕 组磁链值的绝对值之和.由此可见，横向磁通开关 磁链永磁直线电机的主磁路是上下绕组的磁通朝图2 TFFSPMLM 三相结构2TFFSPMLM 的工作原理图3为单相电机的单边磁力线走向示意图.通过合理设计初级极距/次级极距，使得上下凸极 中的永磁体发出的磁力线分别聚磁后，通过连接 板到达同一边的凸极铁心中部永磁体，通过气隙 和次级铁心回到起始凸极铁心，形成两个主磁通 回路，其所在平面与电机运动方向相垂直，即电机 主磁通为横向磁通.图3 TFFSPMLM 磁力线走向示意图TFFSPMLM 的拓扑结构及电磁分析3.1 TFFSPMLM 原始拓扑结构原始拓扑结构的横向磁通开关磁链的电机结构如图4所示，其动子的齿尖朝向电枢绕组所在 的凹槽的方向突起，且永磁体通向动子铁心轭部. 在理论上，永磁体直通动子轭部的结构会阻断左 右两块轭部磁钢的极间漏磁，降低漏磁系数，从而 增大电机的气隙磁密.-0.16鲁东大学学报（自然科学版)第34卷着动子的中部聚磁，由于磁场的相互作用，迫使汇 集的磁通穿过电机中部的气隙，再由定子回到上、 下部的过程.由此验证了横向磁通开关磁链永磁 直线电机的横向磁通这一特点.参数相同（除永磁体的高度外）.通过有限元软件 对该模型进行建模和求解，得到该结构的气隙磁 密仿真图（见图8)，永磁体没有通人到动子轭部，主 磁通的气隙磁密是在动子的位置为5 mm 和20 _ 之间的这一段，上、下部气隙磁密的数值大约为0. 5 T ，中部的气隙磁密为0. 6 T .这个结果和上一 章永磁体通人轭部的结构结果并没有特别大的差 异.所以，永磁体是否通人轭部对气隙磁密的增加 几乎没有影响.图8永磁体没有通人动子轭部的气隙磁密波形图9为永磁体没有通人动子轭部的绕组磁 链.从图中可以看出：永磁体没有通人轭部的结构 其电机上部绕组的合成磁链和下部绕组的合成磁 链大小相同，方向相反；中部的绕组合成磁链的绝 对值是上下绕组合成磁链值的绝对值之和，此结 果同样验证了该电机横向磁通的特性.不过在数 值上，永磁体通人轭部的主磁通是大于永磁体没 有通人轭部的结构.图9永磁体没有通入动子轭部的绕组磁链由3. 1节与3. 2节可知，永磁体通人轭部和 没有通人轭部对电机的气隙磁密没有太大的影响' 05 101520 25位移/mm图6原始模型的绕组磁链3.2 TFFSPMLM 改进结构一改进结构一为动子永磁体不通人轭部的结 构.通过上一节的介绍得出，横向磁通开关磁链永 磁直线电机的永磁体直通轭部的这一结构虽然可 增大气隙磁密，但结果增加较为明显的却是漏磁 部分.因此，关于永磁体通人动子轭部这一结构是 否可验证理论的优越性有待验证.为验证永磁体 通人轭部是否具有绝对的优越性，本小节对永磁 体没有通人到轭部的电机结构进行建模和仿真并 分析其性能特点.横向磁通开关磁链永磁直线电机永磁体没有 通人轭部的结构如图7所示.为保证仿真所得的 磁密、磁链等结果与动子的永磁体通人轭部的结 果可以进行比较，故参数设置保持和上一节结构图7永磁体没有通入动子轭部的模型图第1期赵玫，等:横向磁通开关磁链永磁直线电机的拓扑结构研究17的结论;但根据磁链图反映的结果来看，永磁体通 人轭部会增大电机的主磁通，从而增大电机的反 电动势.为了验证永磁体通人轭部是否会对反电 势引起较大的影响，通过仿真计算得到两种结构 下的反电势波形以及谐波分析图，如图1所示.通过两组数据的比较，证明了磁铁通入轭部 确实会增大反电势的数值，但这样的结构又会带 来波动力较大、反电动势正负周期幅值不对称等 新的问题.因此是否应该选择永磁体通入轭部的 结构还需要根据对电机的实际要求具体分析.-------通底结构._ _ _不通底结构40-^~<的绕组磁链互补.加入磁障的结构模型仿真计算结果如图1所示，由气隙磁密波形图看出：加入磁障后，上下 部分的气隙磁密数值会有所增加，但中部气隙磁 密却无前两种得出的中部磁密大于上、下两部分 磁密的特性.这是因为加入了磁障后，动子“E ”形模块中的永磁体产生的磁力线不会聚集和沿着动 子朝着中部的气隙方向走，而是沿着磁障两边动 子齿通过上下部的气隙迸人到了定子中，也就不 会发生聚磁效应而形成横向磁通.0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50位移/mm图12加人磁障的气隙磁密波形根据图1绕组磁链图得出中部绕组的最低点 的绝对值是0.02 Wb ，而上下部绕组的磁链的最大 值也均高于0.015 Wb ，两者几乎相等，而本电机横 向磁通特有的中部绕组磁链的绝对值并非等于上 下部绕组的绝对值之和.因此本结构的设计并不 符合本文所介绍的横向磁通.本电机的设计更符 合普通的开关磁链直线电机，其内部是二维磁场 即磁力线走向的平面和电机的运动方向平行.0 5 1015 20 25位移/m m(a )反电势(b )谐波分析图1永磁体通人动子轭部与不通人轭部两种结构下的反电势及谐波分析3.3 TFFSPMLM 改进结构二图11为改迸结构二，这种结构在动子的凸极 之间加入磁障，使动子的上、中、下部分别构成两 个“ E ”型模块，从而使电机的磁路互补，从而增加 反电势的正弦度优化了电机性能.因此，本文所研 究的横向磁通开关磁链永磁直线电机在单相动子 的模块中加人磁障，通过改变磁障的宽度，使电机20-20-40-60X /炮讀鍇矿18鲁东大学学报（自然科学版)第34卷大于3. 1节与3. 2节提出的模型.磁链图也同样 反映出该结构的横向磁通特点.显然这种倒角的 特殊设计无论在理论上，还是实际上，磁密值都具 有优越性.0 510 1520 25 30 35 40位移/mm图15特殊倒角结构的气隙磁密图16特殊倒角结构的绕组磁链在3. 2节中没有对永磁体通入轭部是否有较 好的电磁特性给出定论，因此在此给出开关磁链 永磁直线电机永磁体通入轭部和没有通入轭部两 种情况下的比较.如图1所示，对比特殊倒角结 构下的永磁体通入轭部与永磁体没有通入轭部的 结构，永磁体通入动子轭部结构的反电势幅值会 略大于永磁体没有通入到定子轭部的结构，但其 反电势的正弦度显然要差很多，而且各次谐波的比例也很大，正负周期幅值不对称，这些问题势必 会带来波动力、影响电机寿命等一■系列冋题.综上 所述，横向磁通开关磁链永磁直线电机的结构确 定为特殊倒角设计下的永磁体没有通入轭部的 结构.图13加人磁障的绕组磁链3.4 TFFSPMLM 改进结构三图14为改进结构三，对横向磁通开关磁链电 机的动子齿做了特殊的倒角设计.传统的开关磁 链电机在设计的时候保持着槽宽、齿宽、永磁体的 宽度相同.但是在实际上，永磁体的宽度应当能够 根据设计的需求而灵活的变化，所以，本节在动子 齿上进行特殊的倒角设计.该结构影响电机主要 性能的参数有开口的宽度、凹槽的宽度以及动子 齿的宽度.该结构的优势是永磁体的宽度以及高 度变化时，动子齿尖、永磁体下方的开口宽度、绕 组所在的槽口宽度可保持不变，更有利于提高反电势的正弦度.图14TFFSPMLM 特殊倒角结构模型图1为该结构仿真的气隙磁密曲线，图16 为该结构的绕组磁链图.上、下部的气隙磁密达到 了 0.6 T ,中间的气隙磁密达到了 0.9 T ,其数值第1期赵玫，等:横向磁通开关磁链永磁直线电机的拓扑结构研究191234567891011谐波次数(b)谐波次数图1特殊倒角结构下的永磁体通人扼部与没有通人扼部的比较4结论横向磁通开关磁链永磁直线电机具有横向磁 通直线电机的磁负荷和电负荷解耦、开关磁链永 磁直线电机的结构可靠以及出力密度大等优点. 绕组和永磁体都在较短的动子结构上，定子仅由 硅钢片叠压而成.因此，该结构在垂直运输系统、电磁弹射等方面具有广阔的应用前景.针对横向 磁通开关磁链永磁直线电机众多的拓扑结构，本 文通过有限元软件对各种结构进行分析和求解，主要通过气隙磁密和绕组磁链分析来确定各个结 构的合理性.其中，在针对动子的永磁体是否需要 通人到动子的轭部的问题时，则是求解模型的反电势,从而确定永磁体没有通入动子轭部的结构具有较好的特性，为横向磁通开关磁链永磁直线电机的样机研制提供了尺寸参数.参考文献：[1]李艳明，彭雪明，梁晓龙，等.基于磁通切换永磁直线电机的导弹电磁发射技术[J].高电压技术，2016,42(9)：2830-2834,[2]赵玫，邹继斌，王骞，等.圆筒型横向磁通永磁直线电机的基础研究[J].电工技术学报,2014(1) :80-89. 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Magnetic field analysisof a novel flux switching transverse flux permanent magnet wind generator with 3-D FEM[C] //Proceedings ofInternational Conference on Power Electronics and DriveSystems，IEEE，2010:332-335.[]王道涵，王秀和.新型永磁型磁通切换型磁阻电机齿槽转矩机理分析和解析分析模型[j].电工技术学报，2015,30(10) :77-82.[1]郭春景.新型磁通切换电机原理和特性分析[J].微特电机，2017,45(5) :15-17.[1]谢德娥，王宇，邓智泉，等.容错型永磁磁通切换电机的拓扑分析[J].中国科技论文,2013,8(7) :697-702.[2]朱孝勇，刘修福，全力，等.新型磁通切换电机优化设计与动态建模仿真[J].电机与控制应用，2012,39(12)1-6.[3]张宗盛，王秀和，杨玉波，等.单相磁通切换型磁阻电机的快速建模方法[J].电机与控制学报，2014,18(7)6-11.[4]张磊，李立博，姜达军，等.浅谈磁通切换型轴向磁场永磁电机有限元计算[J].微特电机，2011，39(10)4-5.[5]黄文涛，花为，於锋.考虑定位力矩补偿的磁通切换永磁电机模型预测转矩控制方法[J].电工技术学报，2017,32(15):27-33.(下转第37页）第1期董乐伟，等:一类带有非谐波扰动的随机系统的抗干扰控制37A n t i-d i s t u r b a n c e C o n t r o l o f a C l a s s o f S t o c h a s t i c S y s t e m sw i t h N o n-h a r m o n i c D i s t u r b a n c e sD O N G Lewei,WE I Xinjang(S ch o ol o f M a th e m a tic s a n d S ta tis tic s S cien ce , L u d o n g U n iv e r sity , Y a n ta i 264039 , C h in a)Abstract：A class of stochastic systems with multiple disturbances was studied,and the disturbances includes white noises and non-harmonic disturbances by a nonlinear exogenous sytem.In order t ance with nonlinear dynamics,a stochastic nonlinear disturbance observer was proposed,and a class of interference cancellation method based on the nonlinear observer was proposed,which can ensures that the composi t e closed-loop system i s asymptotically bounded in mean square.Finally,a simulation e demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed scheme.K e y w o r d s:stochastic system;multiple disturbances;disturbance attenuation control;nonlinear exosystem(责任编辑王际科）(上接第19页）Abstract ID: 1673 -8020 (2018) 01 -0014-EAT o p o l o g y S t r u c t u r e o f T r a n s v e r s e F l u x F l u x-s w i t c h i n gP e r m a n e n t M a g n e t L i n e a r M o t o rZ H A O M e i，W E I Y a o，Y A N G H o n g y o n g，D E N G G u a n l o n g，X U M i n g m i n g(S ch o ol o f In fo r m a tio n a n d E lectrica l E n gin eerin g, L u d o n g U n iversity, Y a n ta i 264039 , C h in a)Abstract：The magnetic flow r oute of transverse flux flux-switching permanent magnet linear machine i s mutually per^ndicular to current in armature winding in space,which has realized decoupling of electrical load and magnetic load,so that i t s force density i s improved.Aiming at transverse flux switching flux l motor,the magetic circuit s tructure and working principles of transverse flux permanent magnet linear motor were described,and several topological structures were put forward.T e characteristic c distribution,winding flux linkage and back-ElMF of different topology motors were analyzed and compared by f i n i t e element numerical calculation,which l ays the foundation for determining the best topolog structure.K e y w o r d s:transverse flux;flux switching;permanent magnet linear motor;topological strncture(责任编辑李秀芳）。
横向磁场永磁电机及其驱动系统研究的开题报告
横向磁场永磁电机及其驱动系统研究的开题报告一、研究背景及意义永磁电机作为一种高效、环保的电力转换设备，已被广泛应用于工业、交通、农业等领域。
然而，传统的永磁电机存在转矩密度低、驱动器体积大等问题，难以满足日益增长的应用需求。
因此，开展新型永磁电机及其驱动系统研究至关重要。
横向磁场永磁电机是近年来出现的一种新型电机，其具有磁场分布均匀、转矩密度高等优点，可应用于高速驱动系统、航空航天等领域。
因此，开展横向磁场永磁电机及其驱动系统研究，对于推进我国永磁电机技术的创新和发展，具有重要意义。
二、研究内容及思路本文将研究横向磁场永磁电机的结构、性能及其驱动系统的设计与控制。
具体研究内容包括以下几个方面：1. 横向磁场永磁电机结构设计。
结合永磁材料磁学特性，设计出合理的永磁电机结构，使其磁场分布均匀、转矩密度高，满足实际应用需求。
2. 横向磁场永磁电机性能分析。
基于磁场分布和电机工作原理，分析永磁电机的电磁特性（转矩、功率、效率等），为后续研究提供理论基础。
3. 横向磁场永磁电机驱动系统设计。
基于电机电磁特性和应用需求，设计出合适的驱动系统，包括电机控制器、功率放大器等，保证电机稳定运行。
4. 横向磁场永磁电机控制策略研究。
采用现代控制理论（如PID控制、模糊控制等），制定出合理的控制策略，使电机性能达到最佳状态。
三、研究方法及预期成果本研究将采用实验、仿真和分析相结合的方法进行。
具体包括：1. 利用有限元软件（如ANSYS）对横向磁场永磁电机的结构和磁场分布进行仿真分析。
2. 搭建横向磁场永磁电机实验平台，进行电机性能测试和控制策略验证。
3. 基于仿真和实验数据，分析电机及其驱动系统的性能，制定出优化方案。
预期成果包括：1. 横向磁场永磁电机结构设计方案。
2. 横向磁场永磁电机性能分析报告，包括转矩、功率、效率等评价指标。
3. 横向磁场永磁电机驱动系统设计方案及控制策略。
4. 一篇完整的毕业论文，并提交相应的学位论文答辩材料。
横向磁场永磁电机性能研究
《 电机 与控 制应 用） ０６，３ ７ ） ０ ３（） ２
横 向磁场永磁 电机性能研究
横 向磁 场 永 磁 电机 性 能 研 究
赵 宇 ， 柴建 云
（ 清华 大 学电机 工程 与应 用 电子技 术 系， 北京 １０ ８ ） ０ ０ ４
摘 要 ： 于电机转矩 和功率 因数方程研究的基础 ， 出 了一种 依据 电 、 负荷等参 数解 释横 向磁 场高 基 提 磁
转矩密度和低功率 因数性能特点 的新观点 。该方法清 晰 、 明确地 给 出了电机转矩 密度和功率 因数 同电、 负 磁
荷， 漏磁 ， 结构参数 以及矢量控制 的关 系。结论对于 同类 电机设计及其 性能 与控 制方式 的分 析具有一 定的指
导意义 。
关键词 ：横向磁场 ； 永磁 电机 ； 转矩方程 ； 功率因数 中图分类号 ： Ｍ ０ ． ： Ｍ ５ 文献标识码 ： 文章 编号 ：６ ３６ ４ （０ ６ ０ － ０ －５ Ｔ ３ １４ ４ Ｔ ３ １ Ａ １７ －５ ０ ２０ ）７０ ９０ ０
矩放 大 原理 ” 。
然而， 在实际应用中 ， 人们发现 Ｔ Ｐ Ｆ Ｍ运行的 功率因数远低于同容量 的常规交流电机。过低的
功 率 因数造成 了 电机 和 变 频 器 电压 容 量 的 升 高 ， 增 加 了驱动 系统 的 成本 。研究 表 明 ， 生 该 问题 产 的原 因是 Ｔ Ｐ 中 电枢 反应 电势与 空载 感 应 电势 ＦＭ
系统等领域极具 发展前景 。其起源 可以追 溯到 Ｗｅ ｈ等人 提 出 的 高 推 力 密 度 永 磁 直 线 电机 Ｊ 。 它采用各相独立 的环形电枢绕组 ， 而嵌放 电枢绕
组 的 铁 心 槽 பைடு நூலகம் 位 于 轴 向 长度 方 向 ， 图 １所 示 。 如
横向磁场永磁同步电动机d-q轴模型研究
横向磁场永磁同步电动机d-q轴模型研究陶果;邱阿瑞;李大雷【期刊名称】《微电机》【年(卷),期】2008(041)002【摘要】横向磁场永磁同步电动机(TFPMSM)由于磁路结构与传统径向永磁同步电动机不同,使得其d-q轴电感的求解与传统径向永磁同步电动机不同,难以直接套用传统径向永磁同步电动机的公式.结合传统径向永磁同步电动机的坐标变换矩阵和方程,给出了相应的横向磁场永磁同步电动机的坐标变换矩阵和功率求解方程.根据横向磁场永磁同步电动机各相之间没有磁路耦合的特点,分析了其相绕组自感系数的变化规律.结合该种电动机的相绕组电压和磁链平衡方程式,分析了只考虑基波的情况下电动机的d-q轴电感的求解方法.模型分析将横向磁场永磁同步电动机的数学模型与传统径向永磁同步电动机的模型进行了统一,简化了横向磁场永磁同步电动机的分析.【总页数】4页(P8-10,28)【作者】陶果;邱阿瑞;李大雷【作者单位】清华大学,电机工程与应用电子技术系,北京,100084;清华大学,电机工程与应用电子技术系,北京,100084;清华大学,电机工程与应用电子技术系,北京,100084【正文语种】中文【中图分类】TM341;TM351【相关文献】1.绕线转子无刷双馈电机的d-q轴数学模型 [J], 熊飞;王雪帆;华斌;尹传涛2.新型横向磁场永磁同步电动机电感参数计算与功率因数分析 [J], 陶果;邱阿瑞;李大雷3.横向磁场永磁同步电动机直接转矩控制系统建模与仿真 [J], 李大雷;邱阿瑞;陶果4.永磁同步电动机交轴与直轴电抗仿真分析 [J], 王迎;文绍龙;胡堃5.基于iMOTION永磁同步电动机-发电机并轴实验平台 [J], 李忠昶;侯孝涵;吴双;杨喜军因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
新型横向磁通电机设计及其自定位力分析
Ｐ Ｍ组 成来 看 ， 它 是一 种 齿槽 结 构 的永 磁 电 动机 ， 因
半 的永磁体得 到利用。本文在 Ｓ ｅ ｙ ｅ ｄ ｍ ｏ ｈ ｓ ｅ ｎ Ｈ ｏ ｓ —
ｓ ｅ ｉ ｎ ｉ 等 人 设 计 的 ４相 平 板 式 横 向磁 场 永 磁 电机 和 盘式 电机 的基 础上 ， 设 计 了 两侧 组 合 定 子 结 构 的新
型盘式 Ｔ Ｆ Ｐ Ｍ电机 ， 实验研究表明该结构简单 ， 而且
而 ห้องสมุดไป่ตู้动机 中必 然存 在 自定 位力 ， 它将 导 致 电动 机 的
电磁 力发 生波 动 ， 并影 响 电动 机 在 控制 系 统 中 的低 速性 能 和在位 置控 制系统 中的高精 度定 位 。传统 永 磁旋 转 电动机 的理 想齿槽 自定 位力 矩 的周期 变化 次 数 为 电动机极 数 ２ ｐ和槽 数 ｚ的最 小 公倍 数 。对 于盘式 Ｔ Ｆ Ｐ Ｍ， 可认为 它 是 一个 半 径 为无 穷 大 、 极 数
第３ １ 卷第 １ 期
新 型横 向磁 通 电机 设 计 及 其 自定 位 力分 析
史仪凯 ，苏士斌 ， 袁 小庆 ， 崔 田田 ， 韩 康
（ 西北工业大学 机电学院 ， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ７ ２ ）
摘
要： 横向磁场永磁电机具有低转速、 高转矩密度的特点， 文章在介绍横向磁通永磁 电机的基础上，
１ 新型盘式 Ｔ Ｆ Ｐ Ｍ 电机
本文 设计 的一 种新 型 盘式 横 向磁 通 电机拓 扑结
一种轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机[实用新型专利]
![一种轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/af8e76db3968011ca20091ad.png)
专利名称：一种轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机专利类型：实用新型专利
发明人：刘成成,王东阳,汪友华
申请号：CN201920111008.3
申请日：20190123
公开号：CN209358404U
公开日：
20190906
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型为一种轴向磁场磁通切换式横向磁通永磁电机，该电机包括多个单相电机模块，多个单相电机模块采用同轴径向嵌套和/或同轴轴向组合，不同相单相电机模块之间相互错开电角度；每单相电机模块为单定子单转子结构或单定子双转子结构或双定子单转子结构；每个单相电机模块均包括异型定子铁心、异型永磁体、转子、电枢绕组；M个异型定子铁心与M个异型永磁体沿周向交替排列构成磁通切换式圆环结构的定子，在圆环结构上存在环形凹槽，环形凹槽内安装电枢绕组；所述转子采用轴向磁场盘式结构，每个转子包括带有通孔的转子轭和转子凸极。
该电机的永磁体设置在电机定子上，同时采用轴向磁通的构造方式，使得电机转矩密度得以提高。
申请人：河北工业大学
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国籍：CN
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新型聚磁式横向磁场永磁推进同步电动机
ISSN 100020054CN 1122223 N 清华大学学报(自然科学版)J T singhua U niv (Sci &Tech ),2007年第47卷第10期2007,V o l .47,N o .102 40156221565新型聚磁式横向磁场永磁推进同步电动机陶 果, 邱阿瑞, 李大雷(清华大学电机工程与应用电子技术系,电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室,北京100084)收稿日期:2006210210作者简介:陶果(1979—),男(汉),安徽,博士研究生。
通讯联系人:邱阿瑞,教授,E 2m ail :qiuar @m ail.tsinghua .edu .cn 摘 要:针对现有的各种聚磁式横向磁场永磁电动机的定子结构较为复杂的问题,该文提出了一种新型聚磁式横向磁场永磁推进同步电动机结构。
其主要特点是转子永磁体磁极采用三面墙式聚磁式结构,定子铁心由U 形硅钢叠片构成,在提高了气隙磁密的同时简化了定子铁心的结构。
利用三维电磁场有限元数值计算对该种电机的磁场进行了分析,并根据磁场分布计算了该种电机的电磁参数。
实验结果与计算结果吻合较好。
新型横向磁场永磁推进电机在保证电机性能的基础上简化了定子铁心结构。
关键词:永磁电机;横向磁场永磁推进;三面墙式聚磁;有限元方法中图分类号:TM 351文献标识码:A文章编号:100020054(2007)1021562204Concen tra ted tran sverse f lux permanen t magnetic propulsive synchronous m otorTAO Guo ,Q I U A rui ,L ID a le i(State Key Laboratory of Con trol and Si m ulation of Power Syste m s and Generation Equip men t ,D epart men t of Electr ical Engi neer i ng ,Tsi nghua Un iversity ,Be ij i ng 100084,Chi na )Abstract :Current topo logical structures of transverse flux mo to rs w ith concentrating flux ro to r configurati ons have comp lex stato r structures .A transverse flux perm anent m agnetic p ropulsive mo to r w as developed w ith three 2sided concentrating flux ro to r per m anent m agnetic (PM )po les,w ith the stato r co res m ade of U 2shaped silicon steel sheets .T he structure si m p lifies the stato r co re andi m p roves the air 2gap m agnetic flux density .T he m agnetic field w as analyzed using a 3D finite elem ent analysis .T he calculatedelectrom agnetic param eters agree w ell w ith m easured values .T he per m anent m agnetic mo to r has good capability w ith a si m p le stato r co re structure .Key words :per m anent m agnetic mo to r;transverse flux per m anentm agnetic p ropulsive;three 2side concentrating flux;finite elem ent m ethod电力电子技术、微处理器和交流调速控制技术的发展,促进了综合电力推进系统在舰船上的应用,美、英、法等西方国家的新一代主战舰船几乎都将采用综合电力推进系统。
新型横向磁场永磁电机敛磁分析
场 永磁 电机 的这些 缺 点 ， 许 多 研究 者 提 出了各 自的
研究看法 ＇ ４ ｊ 。文献［ ５ ］ 为分析功率因数低的原 因， 采 用二维 和 三维方 法对几 种不 同结 构尺 寸 电机 进行 了空载主磁通计算 ， 认为磁场漏磁 主要在于永磁体
磁极 转 角处漏 磁 ， 大约有 ６ ％ 的差 异 。文 献 ［ ６ ］ 提 出
一
效果 ， 克服 了传统横向磁场漏磁大的缺点 ， 降低 了漏 磁系数 ， 提高了功率因数和转矩密度 ， 提升 了横 向磁 场永 磁 电机性 能 。
１ Ｔ Ｆ Ｐ Ｍ 电机 漏 磁 影 响
文献 ［ ８ ］ 在 两 相 横 向磁 场 永 磁 电机 基 础 上 ， 设 计 了 四相 平 板 式 外转 子 横 向磁 场 永磁 电机 ， 如图 １
起到敛 磁 效果 的转 子两侧 永磁 体边 界宽度 及形 状也
显然 ｏ ｒ ＞ ｏ ｒ ， 采 用敛 磁结 构减 小 了漏 磁 ， 电 机 的漏 磁 系数 得 到 了降低 。
进行了试验 ， 研究发现 当敛磁永磁体和转子永磁体 单 元 的形状 相似 时 ， 敛 磁效 果最好 ， 此 观点 在 图 ７中
第３ １ 卷第 ３期
新 型横 向磁 场 永磁 电机 敛 磁 分 析
苏士斌 ，史仪 凯 ， 袁 小庆 ， 韩 康 ， 马 艳 ， 崔 田田
（ 西北工业大学 ，陕西 西安 ７ １ ０ ０ ７ ２ ）
摘 要： 由于横向磁场永磁电机具有低转速、 高转矩密度的特点， 在电机领域被广泛研 究， 然而由于其 结构特 点和其它 因素的存在 ， 使 电机 的漏磁 大 、 功 率 因数 偏低 ， 降低 了横 向磁 场 永磁 电机 的性 能。提 出了一种 新颖的敛磁结构 ， 并应 用于横向磁场永磁 电机 模型 中， 该 结构不 用增 加 电流密度或 改 变气 隙 大小就可以提 高转矩。研究表明该敛磁 结构具有很好的敛磁效果， 极大地减 少了极 间漏磁 ， 从而可以
横线磁通电机的研究意义和价值
横线磁通电机的研究意义和价值
横线磁通电机是一种新型的电机，它的研究意义和价值不仅在于其在工业生产中的应用，更在于其对电机技术的发展和创新的推动。
横线磁通电机具有高效节能的特点。
相比传统的电机，横线磁通电机的效率更高，能够将电能转化为机械能的效率提高到90%以上，从而减少了能源的浪费，降低了生产成本，提高了生产效率。
横线磁通电机具有更高的可靠性和稳定性。
横线磁通电机采用了新型的磁路结构和控制技术，使得电机的运行更加平稳，噪音更小，寿命更长，从而减少了维修和更换的成本，提高了设备的可靠性和稳定性。
横线磁通电机还具有更广泛的应用前景。
横线磁通电机不仅可以应用于传统的工业生产中，如机械制造、电力、石油化工等领域，还可以应用于新兴的领域，如新能源、智能制造、物联网等领域，为推动产业升级和转型升级提供了新的技术支持。
横线磁通电机的研究和应用也有助于推动电机技术的发展和创新。
横线磁通电机的研究和应用不仅可以促进电机技术的进步，还可以推动电机技术与其他领域的融合，如人工智能、大数据等领域，从而为未来的科技发展提供更多的可能性。
横线磁通电机的研究意义和价值不仅在于其在工业生产中的应用，更在于其对电机技术的发展和创新的推动。
相信在未来的发展中，
横线磁通电机将会成为电机技术的重要发展方向之一，为推动产业升级和科技创新做出更大的贡献。
横向磁通永磁直线电机电磁振动特性分析
横向磁通永磁直线电机电磁振动特性分析赵玫;赵君;左思承;禹国栋;张华强【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2024(39)1【摘要】横向磁通永磁直线电机的电负荷与磁负荷相互解耦,且各相之间相互解耦,易于实现模块化和多相化,因此在石油开采领域有着良好的应用前景。
首先,该文基于磁场调制原理,对横向磁通永磁直线电机的径向电磁力波进行了推导计算,得出对径向电磁力波影响最大的因素为轴向气隙磁通密度分量与径向气隙磁通密度分量,在此基础上对径向电磁力波的时空特性与频谱特性进行仿真计算,得出电枢磁通密度对电机径向电磁力波的频谱特性的影响;然后,考虑到电机实际运行中可能出现的次级偏心问题,揭示偏心度的大小对径向电磁力波幅值的影响,并对比不同偏心度下的电机径向磁拉力与轴向磁拉力,定量分析偏心度对不平衡磁拉力的影响;最后,为避免共振,利用有限元软件对电机的初级进行了模态分析与谐响应分析,结果表明低速状态下横向磁通永磁直线电机的额定运行频率较低,不会引起初级的共振,适合用作往复式潜油电泵的驱动电机。
【总页数】14页(P168-181)【作者】赵玫;赵君;左思承;禹国栋;张华强【作者单位】哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院;特种电机与高压电器教育部重点实验室(沈阳工业大学);国网江西省电力有限公司超高压分公司【正文语种】中文【中图分类】TM359.4【相关文献】1.聚磁型无源转子横向磁通永磁电机电磁力及转子机械强度的分析2.各向异性横向磁通永磁直线电机穿片漏磁分析3.热声横向磁通永磁直线电机结构及运行特性分析4.聚磁式横向磁通永磁直线电机的变磁导等效磁网络5.磁路互补型横向磁通切换直线电机电磁推力计算与特性分析因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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
新型盘式横向磁通电机三维等效磁路研究
第３ ２ 卷第 １ 期
新 型 盘 式横 向磁 通 电机 三维 等 效 磁 路研 究
苏士斌 ，史仪 凯 ， 崔 田田 ， 袁 小庆 ，韩康 ，马艳
（ 西北工业大学 机 电学 院 ， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ７ ２ ）
摘
要： 横 向磁场 永磁 电机具有低 转速 、 高转矩密度特 点 ， 在介 绍横 向磁 通永磁 电机发展 的基 础上 ， 针
发电机 ， 获得 了很好 的磁路性能 ， 输出转矩较 大， 但 其 自定位力矩大 ， 在低速运行时会产生爬坡现象 ， 严
重影 响 电机 的启 动性 能和 低速 工作 性能 。
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ４ — ２ ８
作者简介 ： 苏士斌 （ １ ９ ７ ９ 一） ， 西北工业大学博士研究生 ， 主要从事横 向磁通永磁 电机 的设计 与控制研究 。
第 １期
苏士斌 ， 等： 新型盘式横 向磁通 电机三维等效磁路研究 如 Ｆ：
离轴心较远处 的电磁力将 产生更大电磁转矩 ， 为了 充分发挥外层转子永磁体 的力矩特性 ， 将 ３层永磁 体 的面积进行 了优化 ， 由内及外 ３层转子永磁体的
＝ （ ＋日 ） 应 强度 。
确性。
关 键 词： 横向磁通； 等效磁路 ； 磁 阻； 磁密 中图分 类号 ： Ｔ Ｍ ３ ５ １ 文 献标 志码 ： Ａ
文章 编号 ： １ ０ ０ ０ — ２ ７ ５ ８ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ — ０ １ ４ ２ — ０ ５
横 向磁通永磁 电机 （ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｖ ｅ ｒ ｓ ｅ ｆ ｌ ｕ ｘ ｐ ｅ ｒ ｍ ａ ｎ ｅ ｎ ｔ —
磁 通 电机 。结合 横 向磁场 永磁 电动 机 的结构 特 点和
横向磁场永磁电机性能研究
。
它采用各相独立的环形电枢绕组 , 而嵌放电枢绕 组的铁心槽则位于轴向长度方向 , 如图 1 所示 。 这种独特的电枢结构可以在不增加绕组匝数和磁
,或永磁体的磁势与电枢反应磁势
。但这些论断并未阐明 TFPM 的电 磁转矩和功率因数同其设计参数 (如电枢尺寸和 电、 磁负荷等 )之间的内在联系 ,因而不足以解释
E0 = 0. 018 5 np W B fα pα bDg l Fe ( 2)
种 TFPM 的拓扑结构中 , 以圆周方向均匀分布的 多个 U (或 C )型铁心和一个环形电枢绕组共同组 成的单相模块结构最为典型 。该结构较好地解决 了铁心磁路与电枢绕组在占用圆周空间上的矛 盾 。 TFPM 定子铁心中的磁通平面与转子的运动 方向相垂直 ,因而被称作横向磁场电机 ,这是它区 别于传统电机的最重要的结构特征 。 环形电枢绕组具有较短的导线长度 , 因而电 阻较小 ,且简单的绕组形状还有利于采用高效的 冷却方式 。但是 , TFPM 的电枢铁心较为复杂 , 每 个 U 型铁心都提供一条匝链环形绕组的磁通路 。 显然 ,上述电枢结构属于多铁少铜的设计方案 ,比 较适合选用较高的线负荷和电流密度 。 1. 2 转矩方程 为了便于计算和理解 TFPM 的电磁转矩特 性 ,以一个单相模块为例 ,推导其电磁转矩与电磁 负荷之间的关系 。 假定 TFPM 中所有电磁量皆为正弦基波 。在 只考虑永磁转矩的情况下 , 单相模块电机的电磁 功率 ( 1) P = E0 I co sΨ 式中 : E0 , I— — — 分别为电枢绕组中的空载电动势 和电流 ; Ψ— — — I与 E0 之间的相位差 , 即电机内功率 因数角 。 考虑到 TFPM d、 q 轴电枢反应磁路的 3D 结 构 , 其交 、 直轴电抗之差将远小于传统的智能功率 模块 ( IPM ) 。因此 , 一般情况下 , 适宜采用 I与 E0 同相位 ( cosΨ = 1 ) 的矢量控制方式 ( Id = 0 ) 为电 机供电 , 从而使单位电流产生的功率或转矩最 [5 ] 大 。这种情况下 , E0 表征了永磁电机单位电流 产生电磁功率的能力 。 上述 情 况 下 , TFPM 的 空 载 电 动 势 E0 = 4. 44 f WΦ f 。其中 , 频率 f 取决于转子转速 n 和 转子磁极的极对数 p, 且 f = np / 60; W 为电枢绕组 的匝数 。需要注意的是 , TFPM 环形绕组的每一 匝都同时匝链着所有极下的磁通 , 因此这里的永 磁磁通量 Φ f 应是所有极下的总磁通 , 即 Φ f =
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第27卷第24期中国电机工程学报V ol.27 No.24 Aug. 20072007年8月Proceedings of the CSEE ©2007 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2007) 24-0058-05 中图分类号：TM341 文献标识码：A 学科分类号：470⋅40新型横向磁通永磁电机磁场研究褚文强，辜承林(华中科技大学电气与电子工程学院，湖北省武汉市 430074)Study on Magnet Field of Novel Transverse-flux Permanent Magnet MachineCHU Wen-qiang, GU Cheng-lin(College of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, Hubei Province, China)ABSTRACT: Firstly，a novel transverse-flux permanent magnet machine(TFPMM) is introduced．Then its no-load magnetic field is analyzed, including flux curve, the influence of different air gap/permanent magnet weight on magnetic field. Beside its cogging torque is also calculated．Finally, The experimental data is given and compared with the magnetic field computation results to prove the method above is available.KEY WORDS: transverse-flux; permanent-magnet machine; magnetic field computation摘要：简要介绍了一种新型横向磁通电机，然后针对该电机进行了空载磁场分析，给出了磁通变化曲线，分析了气隙长度、永磁体宽度对磁场的影响，同时还计算了电机定位力矩。
给出了样机实验数据，并与磁场计算结果进行了对比分析，比较结果说明以上方法是有效的。
关键词：横向磁通；永磁电机；磁场计算0 引言横向磁通永磁电机(Transverse-flux permanent magnet machine，TFPMM)是20世纪80年代末由德国的H.Weh教授提出的一种新型电机结构形式[1-2]。
磁路结构的改变使其从理论上克服了传统电机齿槽位于同一截面，几何尺寸相互制约，电机转矩难以根本提高的缺陷，特别适合低速、大转矩、直接驱动等应用场合。
德国于1988年率先研制了首台45kW横向磁通永磁电机样机，1999年又将TFPMM作为电动车发展优选部件之一；英国Rolls- Royce国际研发中心于1997年设计并制作了3.0MW采用C形定子铁心的TFPMM样机，目前正在研制16相20MW横向磁通永磁电机[3-5]；美国通用汽车Allsion传动部着手于研究复合软磁材料(SMC)成形定子的横向磁通电机和爪形齿横向磁通电机，并研制了30kW电动车用横向磁通电机[6-8]；国内对横向磁通电机的研究开展较晚，但目前已有不少样机研制成功[9-11]。
此外TFPMM还被应用于磁悬浮[12-14]、风力发电、直线驱动[15]等领域。
但是上述各种拓扑结构都存在工艺复杂，加工困难，基本上不适合中小功率低速直驱式场合应用。
文献[16]提出了一种新型TFPMM拓扑形式，简化了电机结构，降低了对制造工艺的要求，使得TFPMM有可能应用于中小功率场合。
本文在文献[16]基础上，利用有限元方法分析了该电机的空载磁场，给出了磁通变化曲线，分析了气隙长度、磁体宽度对磁场的影响，同时还计算了定位力矩，最后对样机的实验数据进行了比较分析。
1 新型横向磁通永磁电机TFPMM磁路呈三维分布，其拓扑结构变化较为丰富，按其永磁转子结构和磁路特点，可以分为平板式、聚磁式、磁阻式、无源转子式4类[17]。
文献[16]正是在德国G．Henneberger教授设计的单边定子平板式TFPMM结构[18]基础上提出一种新型横向磁通电机拓扑结构(内定子、外转子)，其定转子结构如图1、2所示，主要结构特点如下：（1）永磁体轴向磁化，相邻磁体极性相反，各相磁体(2p个)沿转子内表面均布，m相磁体轴向分隔，周向对齐。
（2）U形磁轭以两倍极距均布(每相p个)，各相独立，三相定子轴向互错120º电角度被固定在非磁性定子支架上。
（3）电枢绕组由同心绕制在U形磁轭中的周向线圈组成。
第24期褚文强等：新型横向磁通永磁电机磁场研究 59 U形铁轭定子支架定子绕组图1新型横向磁通电机定子示意图(三相)Fig. 1 Stator of three phase TFPMM非磁性外壳永磁体图2新型横向磁通电机转子示意图三相)Fig. 2 Rotor of three phase TFPMM该新型TFPMM不但具有横向磁通电机的固有优势，如：转矩密度高、磁路与电路解耦、定子绕组结构简单、效率高、设计自由度大、相间独立等等；同时它还使得电机结构更为简单，永磁体数减少，轴向尺寸短，特别适合中小功率、低速、大转矩应用场合。
2 新型横向磁通电机磁场分析TFPMM运转时，磁场分布时刻变化，但定子绕组并不直接切割气隙磁场，其电磁转矩是由气隙磁能变化形成的磁拉力产生的，而电机反电动势则由与电枢绕组交链的铁心磁链决定。
此外，TFPMM 磁场呈三维分布，其端部漏磁不能忽略，同时也很难简化为二维模型，所以对TFPMM空载磁场进行三维分析就显得尤为重要和必要。
在对磁场进行有限元分析时，为了减少计算量，充分考虑电机结构的对称性和周期性，整个求解域可取为一对极的1/2区域，如图3所示。
设磁体轴向厚度为H m，周向宽度为W m，径向长度为L m，齿宽(即U形磁轭周向宽度)为b t，气隙长度(U形磁轭表面与磁体表面轴向单边间隙的两倍)为Lδ，图示位置约定为θ= 0°处。
首先计算H m= 5 mm，W m= 5 mm，L m=9 mm，b t = 6 mm，Lδ=2 mm情况下，定转子处于不同相对位置时空载磁场分布情况。
图4为θ =0º时TFPMM 的空载磁场分布，图5则给出了θ 在0~90°电角度H m/2Lδ /2L mW mbt图3三维分析求解域Fig. 3 3D analysis model图4 θ =0°时空载磁场三维分布图Fig. 4 3D no-load magnetic field distributions when θ =0°2.01.61.20.80.40.003060 90θ/(°)铁心磁通/Wb×10−5图5不同定转子相对位置时单个磁轭磁通变化曲线Fig. 5 Core flux curve with rotor angles范围内变化时的铁心磁通波形。
由于结构的对称性，其它区域的波形可通过延拓方式简便获得。
从图4、图5中可以看出：（1）TFPMM磁场分布比传统电机复杂，主要可以分为3部分：①主磁场，是指通过定子磁轭闭合的部分；②极间漏磁，是指由永磁体与相邻相反极性永磁体形成闭合磁场；③端部漏磁。
这3种磁场中，只有主磁场与电机绕组相交链，参与电磁能量转换，而其他2种只对自定位转矩产生影响。
（2）铁心磁通按正弦波规律变化，对其它不同结构尺寸计算后亦可得出类似结果。
由此，可得电机反电动势也是按正弦波变化，其频率和幅值可通过以下式子计算：()/60f p n=⋅(1)60 中 国 电 机 工 程 学 报第27卷260em p n E p N p N ωφφ⋅⋅π=⋅⋅⋅=⋅⋅⋅ (2)其中：p 为极对数；n 为电机转速；N 为各相定子绕组匝数；Φ为单个磁轭磁通最大值(同下)。
由以上计算和分析可知，只需计算出电机单个磁轭磁通的最大值Φ(对应于θ = 0º处)，即可获得电机铁心磁通曲线和反电势曲线。
在获得磁通波形后，为评估并改进电机设计方案，还需要分析各项参数对电机性能的影响[19]。
为此，在大量计算基础上，下面给出最大铁心磁通Φ和漏磁系数σ 随气隙长度、永磁体宽度变化曲线，如图6~9所示。
分析上面各曲线，可以得出以下结论：（1）TFPMM 的漏磁较传统电机严重[20-21]，极3.02.52.01.5 0.51.01.52.0 L δ/mmΦ/W b×10−5图6 最大铁心磁通随气隙长度变化曲线 Fig. 6 Gap length’s influence on Φ2.52.01.51.00.5 1.0 1.5 2.0L δ /mmσ图7 漏磁系数随气隙长度变化曲线 Fig. 7 Gap length’s influence on σ×10−53.02.52.01.54 5 6 7W m /mmΦ/W b图8 最大铁心磁通随永磁体宽度变化曲线Fig. 8 PM width’s influence on Φ2.22.01.81.645 6 7 W m /mmσ图9 漏磁系数随永磁体宽度变化曲线 Fig. 9 PM width’s influence on σ间漏磁是导致TFPMM 漏磁远比传统电机严重的主要原因，其后果是反电动势减小，电机功率因数变差。
但与其他拓扑形式TFPMM 相比，漏磁还是有所改善。
（2）铁心磁通随气隙长度增加而较少，漏磁系数亦随气隙长度增大而增大。
其原因是：由于气隙长度和磁体间最小间距(1.5 mm)接近，所以，气隙增大，主磁路磁阻增大，极间漏磁和端部漏磁明显增加。
（3）永磁体宽度对磁场的影响较气隙长度要小。
因为当永磁体宽度变化时，没有增加主磁路的磁阻，漏磁系数变大的主要原因是由于相邻磁体间距变小，极间漏磁增加，但端部漏磁变化较小。
（4）设计电机时，为减少漏磁，提高永磁体利用率，气隙长度应尽可能小，而永磁体宽度则应取如图9曲线所示的膝点处，即永磁体宽度应略小于齿宽。
与其它电机相仿，除指导结构设计之外，磁场计算结果也可直接应用于TFPMM 的性能分析，如解决设计中的定位力矩计算问题。
定位力矩会使电磁转矩产生脉动，从而导致电机稳定性变差，噪声变大，尤其是当电机输出转矩较小时，是影响电机性能的重要因素之一。