径向充磁双绕组横向磁通永磁发电机

兰志勇　徐　琛　王　琳　王　波　李　理

（湘潭大学信息工程学院，湖南 湘潭　411105）

横向磁通发电机（transverse flux machine, TFM）是由德国不伦瑞克理工大学 Herbert Weh教授最先提出的[1]。横向磁通，指发电机旋转的方向垂直于磁力线所在的平面[2-3]。横向磁通发电机空间设计灵活，具有相互解耦的磁负荷和电负荷，从根本上提高了传统永磁发电机功率密度。此外，该种发电机各部分拼装而成结构简单可靠，且各相之间相互独立，易于实现多相多极结构，使其特别适用于低速、直接驱动风力发电领域[4]。

目前，国内外众多学者对于横向磁通永磁发电机进行了相当深入的研究，提出了很多新型的横向磁通永磁发电机的结构[5-7]。印度Nirma大学的学者在对永磁体和定子铁心之间的漏磁进行了研究，提出一种适用于直接驱动的横向磁通永磁发电机结构，通过三维有限元分析表明，新型结构发电机的主要性能参数相比常规横向磁通永磁发电机有较大提升[8]。南非 North-West大学的学者同样为了解决定子铁心与永磁体之间高磁通量的泄漏，将发电机的定子分为内外两个部分，提出一种具有双绕组的横向磁通永磁发电机结构并研制出样机进行试验[9]。横向磁通电动机在低速风力发电领域的优势也引起了国内高校学者的关注。合肥工业大学李红梅教授等人，提出一种无辅助定子的聚磁式TFPMM拓扑，并通过有限元分析验证其结构的合理性[10]。江苏大学的学者基于独特的定子铁心结构，提出一种结构较为简单便于模块化的横向磁通永磁发电机[11]。

大部分的横向磁通永磁发电机按照转子永磁体的放置方式进行分类，可分为表面安装式和聚磁式两种。表面安装式横向磁通永磁发电机对于永磁体利用率不高，输出同样的功率需要更大的体积[12]。聚磁式横向磁通永磁发电机的永磁体位于转子内部，相比较一般永磁发电机铁心发热量要大，工艺制造更复杂，效率较低[13]。

本文在文献[14]中提出的新型永磁发电机结构的基础上，结合磁通切换和横向磁通的原理，提出了一种径向充磁双绕组横向磁通永磁发电机（radiallymagnetized dual winding transverse flux permanent magnet generator, RMDW-TFPMG）结构。该发电机巧妙地利用空间结构，采用单转子双定子结构，使其具有两个绕组，提高了永磁体的利用率。本文首先介绍了RMDW-TFPMG的基本结构和原理，在此基础上根据类似传统永磁发电机经验公式推导出RMDW- TFPMG的功率尺寸方程，最后借助ANSYS Maxwell软件对发电机进行瞬态场分析，得到气隙磁密、空载磁链、空载反电势等参数，验证了所提出的新结构发电机的合理性。

1　RMDW-TFPMG的基本结构和原理

1.1　RMDW-TFPMG的基本结构

图1显示了由定子整体和转子整体两部分组成的RMDW-TFPMG基本结构图，其中定子整体包括两个定子铁心组，每个定子铁心组由若干个沿圆周方向均匀分布的定子铁心组成，定子铁心组的绕组槽中设有电枢绕组；转子整体包括若干沿圆周方向均匀布置的转子铁心，转子铁心置于两个定子铁心组之间，一对永磁体嵌装在每个转子铁心中，相邻转子铁心中永磁体极性相反。该发电机的主要结构特点有：

图1　RMDW-TFPMG的结构图

1）该发电机设计时巧妙地利用了空间结构，采用单转子双定子结构，可以有效避免永磁体无效的情况，从而调高了永磁体的利用率，提高了发电机的功率密度。

2）定子铁心和转子铁心均采用硅钢片叠制而成，有效地提高了发电机的气隙磁通密度。

3）定子整体和转子整体均是由模块化拼装而成，在电磁场有限元计算时可以采用1对极模型来反应发电机的特性，减少了计算量从而减少计算时间，使结构更加简单可靠，且便于发电机的加工与制造。

1.2　RMDW-TFPMG的原理

图2给出了RMDW-TFPMG的运行原理。将定子整体中的两个定子铁心组分别命名为A绕组定子铁心组和B绕组定子铁心组。图2（a）中，A绕组定子铁心组中的相邻定子铁心外齿分别与转子齿中的左侧转子铁心和右侧转子铁心在径向上平齐，且同一转子齿下两块永磁体的磁化方向相反。这一时刻A绕组定子铁心组中的定子铁心的磁通方向均为逆时针。同时，B绕组定子铁心组中的相邻定子铁心外齿分别与转子齿的右侧转子铁心和左侧转子铁心在径向上平齐，B绕组定子铁心组中的定子铁心的磁通方向也均为逆时针。当发电机转子位于图 2（b）所示位置时，A绕组定子铁心组中的相邻定子铁心外齿变为分别与转子齿的右侧转子铁心和左侧转子铁心在径向上平齐，而B绕组定子铁心组中的相邻定子铁心外齿变为分别与转子齿的左侧转子铁心和右侧转子铁心在径向上平齐。这一时刻，A、B两个定子铁心组中定子铁心的磁通方向均变为顺时针。因此，当发电机以一定角速度进行旋转时，永磁体极性持续有规律改变使定子铁心中磁通呈周期性变化，使位于定子槽中的电枢绕组产生感应电势。

图2　RMDW-TFPMG的运行原理

2　RMDW-TFPMG的电磁计算

2.1　主要尺寸计算

本文中发电机的主要尺寸标注如图3所示。设RMDW-TFPMG中A绕组的电流频率为

式中，P为发电机的极对数，n为发电机的转速。

图3　RMDW-TFPMG主要尺寸标注

当发电机运行于发电机状态时，其输出功率为[15]

式中，m为发电机中电枢绕组的相数；outU为输出电压的有效值；outI为输出电流的有效值；η为功率因数。

仅考虑基波分量，发电机的感应电势为

式中，N为每相电枢绕组匝数；wk为绕组因数，这种发电机绕组因数为1；totalφ为每相总磁通幅值。

式中，发电机主磁路中气隙磁密平均值为gavB，发电机的极数2P和所对应的转子齿面积tS，其中：

式中， Ws为转子铁心周向长度； lt为转子齿径向长度； ks为极弧系数； Dg为发电机转子内径； kl为转子齿径向长度与发电机总径向长度的比值。

定义比例系数 ku=E Uout，联立式（1）至式（7）可得

将总径向长度sl与发电机转子内径gD之比定义为λ

2.2　磁路部分

发电机的等效磁路[16]如图4所示。图中忽略边缘漏磁简化磁路分析。两块永磁体的磁动势分别为

式中，cH为永磁体的矫顽力；pml为永磁体径向长度。

图4　RMDW-TFPMG的等效磁路图

图4中， R01和 R02分别代表两块永磁体在各自主磁路中磁阻； Rσ1和 Rσ2代表在各自主磁路中的漏磁阻； Rg1、 Rg2表示B绕组所在主磁路中的气隙磁阻，Rg3、Rg4表示A绕组所在主磁路中的气隙磁阻；Rfe1为A、B两绕组所在主磁路中转子铁心的磁阻；Rfe2、 Rfe3分别代表 B绕组所在主磁路中定子铁心和转子铁心的磁阻； Rfe4、 Rfe5分别代表 A绕组所在主磁路中定子铁心和转子铁心的磁阻。

式中，0μ、feμ和pmμ分别代表真空、硅钢片和永磁体的磁导率；pmS、gS分别代表永磁体和气隙的等效面积。

3　RMDW-TFPMG的有限元分析

3.1　RMDW-TFPMG三维模型的建立

本文的应用背景是设计一台空载状态下输出反电动势为400V的横向磁通永磁发电机。因为A、B两绕组所对应的定子铁心组各部分尺寸和材料均相同且 A、B两个电枢绕组的截面积和在定子铁心槽中的位置也相同，虽然一个转子铁心中的永磁体呈径向分布，产生的磁动势大小不尽相同，但在圆周方向上各对级之间呈交错排列，所以从整个角度上来看，A、B两个电枢绕组在相同条件下产生的空载反电动势相同，即各产生 200V的空载反电动势。根据式（3）可得到有效磁通值所走的路线是，从转子铁心出发到气隙1，再到定子铁心，再到气隙2，最后回到转子铁心。假设在定子铁心路径中截面较窄处平均磁密为1.6T，截面较宽处平均磁密为1.4T，气隙磁密平均值为1.0T，转子铁心平均磁密为1.2T。转子铁心和定子铁心采用同轴心设计且各对应部分径向长度和轴向长度相等。RMDW- TFPMG的主要参数见表1。

表1　RMDW-TFPMG主要参数

通过上面的参数先在SOLIDWOKS中建立各部分内侧的弧长，然后通过等距实体以及拉伸变换形成各部分模型，再将各部分装配形成RMDW-TFPMG的结构。由于RMDW-TFPMG采用聚磁式的结构，所以在每个铁心组中铁心内齿相比较外齿更容易达到磁饱和。为了使发电机性能达到最佳，铁心内齿和外齿采用不同的径向长度。

3.2　RMDW-TFPMG与RM-TFPMG功率密度对比

横向磁通永磁发电机相比其他常规永磁发电机的突出优点是其具有较大的功率密度。考虑到两相发电机在实际应用中范围并不广泛，故本文中采用单相双绕组设计。下面就功率密度对径向充磁双绕组横向磁通永磁发电机（RMDW-TFPMG）和径向充磁单绕组横向磁通永磁发电机（RM-TFPMG）进行对比，从而反映RMDW-TFPMG结构中采用双绕组的优势。

图5　RM-TFPMG空载反电动势

图6　RMDW-TFPMG空载反电动势

在相同条件下可以看出，径向充磁单绕组横向磁通永磁发电机和径向充磁双绕组横向磁通永磁发电机空载时电枢绕组反电动势的幅值相同。当RM-TFPMG与RMDW-TFPMG在相同负载情况下，RMDW-TFPMG两相功率之和的值相比单相功率的值更大。由于RMDW-TFPMG采用双绕组结构，在RM-TFPMG的基础上只增加了定子铁心组而未增加永磁体，所以该结构相比径向充磁单绕组横向磁通永磁发电机结构，提高了发电机的功率密度。

3.3　发电机磁场分析和特性计算

由于每个转子铁心中的一对永磁体在径向方向上充磁，所以一个铁心下的一对永磁体的磁动势并不完全相同，导致了气隙磁密曲线中的正负幅值并不完全相同。另外，径向充磁结构本身就具有聚磁效应，导致了内齿铁心下的气隙磁密大于外齿铁心下的气隙磁密。从图7中可以看出，内齿铁心下的最大气隙磁密达到了2.0T，而外齿铁心下的最大气隙磁密略大于1.4T。

图7　内、外齿铁心下气隙磁密

图8为磁链最小值与最大值位置时三维磁场分布。从图8可以看出，在电枢绕组磁链最大值的位置时，定转子铁心中磁密的最大值不到为1.6T，处于未饱和但接近于饱和的状态，这时候的空载状态下的RMDW-TFPMG接近最佳发电状态。

从图9可以看出，在空载状态下，径向充磁横向磁通双绕组横向磁通永磁发电机的一个周期内的磁链最大值为 1.0Wb，一个电枢绕组产生的感应反电动势最大值为300V，基本满足前期的设计要求。

图8　磁链最大值与最小值位置时三维磁场分布

图9　RMDW-TFPMG空载电枢绕组磁链和反电动势

4　结论

通过对RMDW-TFPMG结构在气隙长度0.3mm，极弧系数为0.75条件下建模，磁路计算出主磁通为2.136×10-4Wb，根据有限元空载感应反电动势的结果可计算出主磁通为 2.81×10-4Wb，误差率在 20%左右。

本文提出一种径向充磁双绕组横向磁通永磁发电机结构。首先详细介绍了其基本结构和原理；在阐述该种发电机的基本结构和原理之后，类比传统永磁发电机设计得到该发电机设计的主要参数；最后，基于三维有限元分析软件，仿真得到了发电机空载时电磁特性，可得出以下结论：

1）对比传统发电机，径向充磁双绕组横向磁通永磁发电机结构简单，电路和磁路空间上互相解耦。

2）相比较前期的径向充磁单绕组横向磁通永磁发电机，径向充磁双绕组横向磁通永磁发电机中永磁体利用率高，发电机功率密度大。

3）通过磁路和有限元计算结果来看，相比传统永磁发电机二者还具有较大差距。下一步应考虑采用更准确的路算方法对横向磁通结构的发电机进行计算。