橫向磁場永磁電機(jī)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀

華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 戴茵茵

重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系 楊 紅

1.引言

橫向磁場永磁電機(jī)（Transverse Flux Permanent Magnet Machine，簡稱TFPM）是由德國著名電機(jī)專家H.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，橫向磁場電機(jī)具有以下特點(diǎn)[1][2]：

（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5～10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)的極對數(shù)成正比，適用于低速、大轉(zhuǎn)矩場合。

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，對高轉(zhuǎn)矩密度、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)國家投入了大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行橫向磁場電機(jī)的理論和應(yīng)用研究，豐富了橫向磁場永磁電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，促進(jìn)了橫向磁場電機(jī)的發(fā)展。本文較系統(tǒng)地介紹分析了當(dāng)前橫向磁場永磁電機(jī)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(jī)的主要研究方向和方法，并對橫向磁場電機(jī)存在的問題也做了簡單介紹。

2.橫向磁場電機(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，橫向磁場電機(jī)拓?fù)浣Y(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 平板式橫向磁場電機(jī)

圖1為德國亞琛的G.Henneberger教授設(shè)計(jì)的外轉(zhuǎn)子平板式橫向磁場永磁電機(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)齒分別對應(yīng)不同極性的永磁體。電機(jī)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(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，可利于減小定子磁軛和導(dǎo)磁回路中的雜散磁通。

Weh原型機(jī)就是一種典型的雙邊聚磁式橫向磁場永磁機(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(cuò)開一個(gè)極距。當(dāng)定子繞組通電時(shí)，定子鐵心磁場通過定子的一個(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永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永磁體等效地轉(zhuǎn)移到定子上，同時(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(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.橫向磁場永磁電機(jī)的研究現(xiàn)狀

橫向磁場永磁電機(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)，磁場計(jì)算分析和電機(jī)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機(jī)的研究熱點(diǎn)。國外在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)，并針對電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，對電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了許多改善。相比之下，國內(nèi)對橫向磁場永磁電機(jī)的研究還處于起步階段。國內(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)形成了成熟的電機(jī)設(shè)計(jì)理論和技術(shù)，且橫向磁場永磁電機(jī)磁路呈三維分布，不同于傳統(tǒng)電機(jī)的二維場，因此需要對TFPM三維場建模進(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)，對求解模型進(jìn)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(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，又實(shí)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(dòng)機(jī)，則為無刷直流電動(dòng)機(jī)，所以橫向磁場永磁電動(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)。

圖2 Weh原型機(jī)一相結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 磁阻式結(jié)構(gòu)

4.橫向磁場永磁電機(jī)存在的主要問題

橫向磁場永磁電機(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(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(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]。橫向磁場電機(jī)的磁通量比一般為1.6-2.6之間，因此在使用無刷驅(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1。功率因數(shù)低導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)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(jī)的應(yīng)用前景

綜上所述，橫向磁場電機(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)的橫向磁場風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究，從旋轉(zhuǎn)型到直線型橫向磁場電機(jī)等等。目前國際上關(guān)于橫向磁場電機(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(jìn)一步解決。隨著研究的進(jìn)一步深入，橫向磁場電機(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，因此橫向磁場電機(jī)的研究具有重要的理論價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。

[1]H.Weh and H.May,Achievable Force Densities for Permanent Magnet Excited Machines in New Con fi gurations,Proceedings of the International Conference on Electrical Machines,1986.

[2]H Weh,H Hoffman and J Landrath,New Permanent Magnet Excited Synchronous Machine with High Ef fi ciency at Low Speeds,Proceedings of the International Conference on Electrical Machines,1988.

[3]江建中,李永斌,施進(jìn)浩.橫向磁場永磁電機(jī)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀[J].微特電機(jī),2003(5):3-5.

[4]王建寬.橫向磁場永磁電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究[D].上海:上海大學(xué),2007.

[5]M R Harris,G H Pajooman,S M Abu Sharkh.The Problem of Power Factor in VRPM Transverse Flux Machines.EMD of IEE,1997:386-390.