孙延东;杜怿;全力
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【摘 要】Transverse flux permanent magnet (TFPM) machine with stator tooth and the armature winding structurally perpendicular to each other was developed for its merits of low speed,high fault-tolerant capacity and high power density.A novel modular TFPM (MTFPM) machine was proposed,in which the modular stator structure was adopted,so that the machine stator could be simplified and utilized more reasonably.Details of the structure and operation principle of this machine were introduced,based on which,the electromagnetic formulae were derived and the initial design method was given.In additional,the electromagnetic performances,including the no-load fluxlinkage,no-load EMF,cogging torque,and peak value of stator tooth flux were analyzed by 3-D finite element method.%横向磁通永磁电机定子齿槽和电枢线圈在空间上相互垂直,克服了传统电机齿和槽大小相互制约的矛盾,具有转速低、容错性好和转矩密度高等优势,得到了快速发展.基于独特的定子铁心结构,提出了一种结构较为简单的新型模块化横向磁通永磁电机,有效提高了定子空间利用率.介绍了该电机的结构及运行原理,在此基础上,推导了电机功率尺寸方程,给出了电机初步设计方法.采用三维有限元方法,对横向磁通永磁电机进行电磁分析,给出了空载磁链和空载反电势波形以及定位力矩和最大铁心磁通随不同气隙长度的变化波形.
【期刊名称】《电机与控制应用》
琴谱架
【年(卷),期】2017(044)001
【总页数】6页(P45-50)
【关键词】横向磁通;永磁电机;电磁分析;有限元
【作 者】孙延东;杜怿;全力
【作者单位】letm江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013
【正文语种】地下水净化设备中 文
平移天窗
【中图分类】TM351
永磁电机基于永磁体产生励磁磁通，因此具有结构相对简单、运行效率高和转矩密度高等优点，得到了学术界和工业界的广泛关注。但是，传统永磁电机中，流经磁通的定子齿和嵌制绕组的定子槽在同一径向截面上，齿和槽的大小相互制约，存在增加磁负荷和提高绕组安匝数的矛盾，因此难以从根本上进一步提高其转矩密度。1988年，德国H.WEH教授首次提出横向磁通永磁(Transverse Flux Permanent Magnet, TFPM)电机概念[1]。其绕组与主磁通磁路不在同一平面内，可以通过灵活调整绕组和磁路尺寸来确定电机的电磁负荷，从理论上较好地解决了传统电机齿槽大小相互制约的矛盾，从而获得更高的转矩密度[2-4]。此外，TFPM电机具有绕组结构形式简单、低速特性和容错性好等优点，已成为国内外学者广泛关注的焦点之一。
目前，国内外学者提出并研究了数十种TFPM电机拓扑结构，已应用于多个领域[5-9]。例如国内华中科技大学和上海大学等高校的学者对TFPM电机在低速风力发电领域的应用进行了研究，前者提出一种永磁体轴向充磁的平板式结构，后者对TFPM电机定子铁心结构进行了改进，简化了其制造工艺[10-11]。瑞典KTH大学的学者则对MW级横向磁通永磁风力发电机进行了研究，并已研制出样机进行试验[12]。
永磁发电机根据拓扑结构的不同，TFPM电机通常可分为平板式、磁阻式、无源转子式和聚磁式四种。其中，无源转子式TFPM电机存在磁钢用量过多的缺点；平板式和磁阻式结构比较简单，易于加工制造，但是其转矩性能弱于聚磁式结构[13-19]；相比而言，聚磁式TFPM电机转矩性能最佳，相同电流下可以提供最大的转矩密度，因此对聚磁式TFPM电机的研究最为广泛。但是，为了实现其聚磁效应，现有聚磁式TFPM电机结构比较复杂，且电机定子铁心需要使用性能相对较低的软磁材料，无法采用硅钢叠片等传统电机制造工艺，导致此类电机主磁通减小、漏磁增加和铁耗增大等问题，电机的功率因数也大大降低[20-21]。
针对无源转子式TFPM电机存在磁钢用量过多、平板式和磁阻式TFPM电机气隙磁密较小，以及聚磁式TFPM电机定子结构较为复杂的现状，本文提出一种新型模块化TFPM(Modular Transverse Flux Permanent Magnet, MTFPM)电机结构。该电机既继承了现有TFPM电机的一般优势，如：转矩密度高、相间独立、设计灵活、定子绕组结构简单、容错性好等，同时提高了永磁体和定子空间利用率，且电机轴向尺寸较短，易于实现多相电机设计。本文详细介绍了MTFPM电机的结构及其运行原理，采用三维有限元方法(3D Finite Element Method, 3D-FEM)对电机电磁场进行仿真计算，得到了气隙磁密、空载磁链、空载反电势，以及定位力矩和最大铁心磁通随不同气隙长度的变化等波形，验证了所提出的新型MT
FPM电机的各项性能。
图1为单相MTFPM电机结构图，包括定子和转子两部分。定子由均布在转子外围的若干定子铁心和环形绕组构成，定子铁心采用模块化结构，圆周方向相邻两个定子铁心轴向左右对称排列，环形绕组放置在定子铁心槽中；转子由转子铁心、永磁体及非导磁材料转子支架组成，同一转子齿中沿轴向嵌入两块极性相反的永磁体，永磁体轴向充磁，且同一圆周上相邻两块永磁体的充磁方向相反。
由于该电机的特殊结构，其定子铁心和转子铁心均可采用硅钢片叠制，避免了传统聚磁式横向磁通永磁电机多采用软磁材料而导致的性能指标降低等问题，可有效提高电机的功率密度和运行效率。如图1所示，本文提出的MTFPM电机定子铁心数和转子齿数相等，对比传统的聚磁式横向磁通永磁电机定子铁心只能间隔放置[14]，提高了永磁体和定子空间的利用率。此外，由于该MTFPM电机轴向较短，易于实现多相电机设计，只需采用3个结构相同的单元，且各相邻单元之间相差120°电角度，即能构成如图2所示三相MTFPM电机结构。
图3给出了MTFPM电机运行原理。由于同一转子齿上相邻两块永磁体充磁方向相反，且同
一圆周上相邻两块永磁体充磁方向也相反，所以当电机转子位于图3(a)所示位置时，左右交替排列的定子铁心齿对齐不同转子位置的极性相同，所有转子齿上的有效永磁体产生的磁通穿过定子环形绕组的方向一致，为顺时针方向；当电机转子位于图3(b)所示位置时，永磁磁通穿过定子环形绕组的方向切换为逆时针方向，与图3(a)时相反。因此，当转子持续旋转时，定子环形绕组中匝链的磁通方向呈周期性改变，从而感应出感应电势。当电机环形绕组通入交流电时，电枢绕组会产生相应的电枢磁场，电枢磁场和转子励磁磁场相互作用，使转子旋转运行，从而实现机电能量转换。值得一提的是，与传统永磁同步电机类似，MTFPM电机的转速和电机极对数成反比，与通入电枢绕组电流频率成正比。由于MTFPM电机定、转子均为模块化结构，易于实现多极设计，因此MTFPM电机在相同电频率下可实现更低速的运行，适用于低速大转矩直驱领域。
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