新型横向磁通永磁电机磁场研究

第27卷第24期中国电机工程学报V ol.27 No.24 Aug. 2007

2007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 Machine

CHU 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/2

Lδ /2

L m

W m

b

t

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°

2.0

1.6

1.2

0.8

0.4

0.0

03060 90

θ/(°)

铁

心

磁

通/

W

b

×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：

()/60

f p n

=⋅(1)