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 710072)

横向磁通永磁电机(transverse flux permanent-magnet motor——TFPM)是一种具有较高转矩密度的特种电机,与传统电机的磁路结构不同,TFPM的电枢绕组与主磁路在结构上完全解耦,不存在传统电机在增加气隙磁通与绕组电流密度之间结构上的相互制约关系,获得较高的转矩密度[1]。由于TFPM转子级数多,转速不高,取消齿轮传动机构,提高了电机的精度和可靠性,尤其是对于多相结构的TFPM 缺相也能运行,提高了系统的容错能力[2]。

发展至今,已有很多科研机构研制了多种拓扑结构的样机[3-5]。英国南安普敦大学电机是单边结构横向磁通永磁电机[6],采用外转子结构,定子内部液体冷却,便于选择较大的电磁负荷以获得大的转矩密度,但结构过于复杂,外转子结构不易与被驱动机械进行联接,外转子圆筒与驱动轴同心度的加工精度要求高。上海大学李永斌等人[7]研制了1台4相15对极的横向磁通永磁电机,其采用公共联接铁芯解决磁路连通问题,但公共联接铁芯与空气大面积接触,漏磁很大。很多电机的拓扑结构在轴向尺寸都比较大,不适合直接应用于电动汽车的轮毂电机。Seyedmohsen Hosseini[8]等人设计了1台盘式发电机,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。

本文在文献[9]设计的四相平板式横向磁通永磁电机和盘式电机的基础上,提出了新型盘式横向磁通电机。结合横向磁场永磁电动机的结构特点和磁路参数的变化规律,通过三维有限元软件和三维磁网络法法研究了新型盘式电机的磁通磁阻和气隙磁密分布,为进一步研究盘式横向磁场永磁提供了理论基础。

1 新型盘式TFPM

为了设计出适宜于电动汽车的驱动电机,并充分发挥汽车轮毂的空间作用,本文提出了一种新型盘式横向磁通电机拓扑结构。该新型电机结构采用E型硅钢片,取代了文献[7]中公共联接铁芯,简化了结构,降低了加工难度和成本;该新型样机采用两侧组合的定子结构,两侧定子结构相同,其分布错开90°电度角,克服了自定位力矩大的缺点,减小了转动脉矩。

新型盘式TFPM主体结构如图1所示,定子部分为上下2层E型硅钢阵列构成,每组E型硅钢阵列分为3组,构成每相定子,分别绕置漆包线圈;中间为镶嵌于转子盘上的钕铁硼N35圆形阵列,每相邻2个永磁体的端面极性相反。在盘式电机中,距

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层转子永磁体的表面积为3∶8∶6,使永磁体利用率与力矩间的关系达到最优。

图1 新型盘式横向磁通电机主体结构图

2 等效磁网络分析

在TFPM中,电枢电流产生的定子磁场和永磁体产生的转子磁场各自处在相互垂直的不同平面内,呈三维分布,必须采用三维场进行分析。三维场的有限元法分析计算量很大,而三维磁网络法是一种可以用于三维磁场数值分析的方法,而其计算量要小得多。

网络法的基本方法是将场域剖分为许多长方体网络单元,每个网络单元看成是一段磁路,由等效磁动势和等效磁导2个量表征它的磁性能,不存在励磁源的网络单元,则只有等效磁导,其等效磁动势为零。采用网络法需要分析新型样机的磁路,新型盘式横向磁通永磁电机的一对极中的磁路如图2所示,其中的箭头表示部分磁通通过的路径。

图2 新型盘式电机一对极中的磁路

由于钕铁硼永磁材料的去磁曲线接近直线,因此每个永磁体均可以用等效磁势源来代替。永磁体所产生的磁感应强度B和磁场强度H之间的关系如下:

B=μp(Hc+Hges)

(1)

式中：Hc为永磁体矫顽力,Hges为磁场强度,B磁感应强度。

本文采用三维等效磁网络法建立新型盘式样机模型的等效磁网络[10-11],如图3所示。

图3 新型盘式样机模型的等效磁网络

图3中,Fa为电枢磁动势;Ra为E型硅钢定子齿磁阻;FM1、FM2、FM3分别为外、中、内3层转子永磁体产生的磁动势;RM1、RM2、RM3分别为外、中、内3层转子永磁体内磁阻;Rgl1-4为对应左侧气隙主磁;Rgr1-4为对应右侧气隙主磁阻。

在不考虑装配等机械因素影响下,可以假设电机各对应部分的磁路完全对称,考虑图3磁路图中外层E型硅钢定子齿的磁通量较内层定子齿的大,所以设计外外层永磁体的面积之比为2∶1,以充分发挥外层永磁体的电磁力,产生更高的电磁转矩,则有FM1∶FM2∶FM3=6∶8∶3。另取RM1、RM2、RM3的平均永磁体磁阻为RM,取Rgl1、Rgl2、Rgl3、Rgl4的平均气隙磁阻为Rgl,Rgr1、Rgr2、Rgr3、Rgr4的平均气隙磁阻为Rgr。

新型盘式TFPM每相每极永磁体产生的磁通量可以表示如下:

τlpBmg1Ks

(2)

式中：τ=π·(Rout+Rin)/2p为平均每极在旋转方向上的长度;lp是定子齿在径向方向的长度;Bmg1是永磁体在气隙间产生的最高磁通密度;Ks表示磁路穿过永磁体端面的相对系数。

由图3得到对应的磁动势方程如下[7]:

(3)

气隙等效磁阻Rgl和Rgr是随着转子位置的不同而变化的,近似成正弦分布。当转子永磁体中心正对E型硅钢定子齿时,气隙等效磁阻最小,此时电枢磁动势回路中流过的主磁通量达到最大。当转子永磁体中心正对2个E型硅钢定子齿之间时,即相对位置转过90°电度角,气隙等效磁阻最大,此时电枢磁动势回路中流过的主磁通量达到最小,电枢磁动势回路中没有任何磁通穿过,转子永磁体的主磁通全部为漏磁通,主磁通和漏磁系数也就成为一个周期变化的值。

电机等效磁阻直接影响着气隙磁密,优化电机设计结构,以及采用适当的硅钢片和永磁体,都可以达到减小磁路磁阻的目的。考虑到新型电机转子盘两侧定子部分存在一定的对称性,其气隙分布也是相同的,在此只对单边气隙进行分析。在空载情况下,即只有永磁体产生磁动势,绕组中不通入电流的情况下,E型硅钢定子齿中心和转子永磁体中心对齐时,由外中内3层永磁体产生的气隙磁密分波形分别如图4所示。

图4 新型盘式TFPM气隙磁密分布图

3 新型样机磁密分布

基于上述理论分析及进行的三维有限仿真实验,本课题组设计并制作了1台组合双定子组合的盘式TFPM试验样机,样机转子盘、单侧定子和样机整体如图5所示,嵌放于转子盘上的每相邻的2个永磁体极性相反。样机主要设计参数为:气隙Lδ=2.2 mm,磁极数P=24,额定功率PN=400 W,额定电压UN=48 V,额定转速nN=220 r/min。

图5 新型盘式TFPM实物图

图6 新型TFPM 3层气隙磁密平均曲线

对新型盘式TFPM进行对应点的磁密计算,得到3层永磁体产生的平均气隙磁密如图6所示。对比图4和图6,可以看出平均气隙磁密和每层的气隙磁密基本一致,说明了上述研究分析的正确性。

4 结 论

横向磁通永磁电机具有转速低、转矩密度高、电磁解耦、控制方便等特性,特别适合于要求低速、大转矩、直接驱动的场合。本文设计了1台盘式横向磁通电机,提高了永磁体和空间利用率高等特点,并采用三维等效磁网络法对样机的气隙磁密进行研究,计算了样机的平均气隙磁密,气隙磁密分布结果基本一致,证明了上述研究方法的有效性、样机设计的正确性。目前,我国正在大力研究横向磁通永磁通电机和电动汽车,相信上述研究和进一步的研究会为我国在以上领域的研究奠定一定的基础。

参考文献：

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[3] Padurariu E, Hameyer K, Somesan L E. A Simple Analytical Model of a Permanent Magnet Transverse Flux Motor with a Particular Disk Rotor[C]∥13th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, 2012: 641-646

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[7] 李永斌,袁琼,江建中. 一种新型聚磁式横向磁场永磁电机研究[J]. 电工技术学报,2003,18(5): 46-49

Li Yongbin, Yuan Qiong, Jiang Jianzhong. Research on a Novel Transverse Flux Permanent Magnetic Machine with a Concentrated Flux Motor[J]. Transactions of China Electro Technical Society, 2003, 18(5): 46-49 (in Chinese)

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Wang Huan, Shi Yikai, Yuan Xiaoqing. Design of a New Low Power Flat Type Transverse Flux Permanent Magnet Motor[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2010, 29(3): 308-311 (in Chinese)

[10] Rasmussen P O, Runolfsson G, Thorsdottir T A. E-Core Transverse Flux Machine with Integrated Fault Detection System[C]∥International Conference on Electrical Machines and Systems, 2011: 1-6

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