圓筒型雙Ω定子橫向磁通永磁電機(jī)建模分析

余莉 劉銳 賈周 印鑫宇 朱淏波

關(guān)鍵詞： 橫向磁通; 永磁電機(jī); 有限元分析; 直線電機(jī); 功率密度; 扭矩

中圖分類號： TN03?34; TP391.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）05?0100?04

Modeling analysis of cylindrical transverse?flux PM motor with double Ω?hoop stator

YU Li， LIU Rui， JIA Zhou， YIN Xinyu， ZHU Haobo

（Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210044， China）

Abstract： The method of integrating two sets of stator cores in the same armature makes the structure of transverse?flux permanent magnet （PM） linear motor with double Ω?hoop stator more compact， and space utilization， efficiency and power density high. On the basis of analyzing the new transverse flux permanent magnet linear motor with double Ω?hoop stator， two kinds of cylindrical transverse flux permanent magnet motors with double Ω?hoop stator transverse are designed. The finite element analysis （FEA） method is used to carry out the comparative analysis for the flux density waveform in the air gap， back electromotive force （EMF）， flux linkage and electromagnetic torque of two kinds of motors. The results show that the three?phase structure motor has compact structure， and is applicable to the strictly?limited motor volume and high torque occasions; the single?phase structure motor is ideal for the magnetic flux density distribution， counter EMF， flux linkage parameter waveform， and is a better choice in high?precision occasion.

Keywords： transverse flux; permanent magnet motor; finite element analysis; linear motor; power density; torque

0 ?引 ?言

橫向磁通電機(jī)與軸向電機(jī)、徑向電機(jī)相比在磁路結(jié)構(gòu)上有其獨特之處：電樞繞組與定子齒槽所在平面相互垂直，以此達(dá)到電負(fù)荷與磁負(fù)荷解耦，從而使得電機(jī)在一定范圍內(nèi)借助磁能變化率的提升達(dá)到提高出力的目的。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電機(jī)的設(shè)計大多是通過磁路優(yōu)化和磁性材料的選擇來提高功率密度，由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的限制，其功率密度的提升受到制約，解決這一瓶頸的最有效途徑是結(jié)構(gòu)和原理的創(chuàng)新和改進(jìn)。

橫向磁通永磁電機(jī)（TFPMM）因其高功率密度和高扭矩的特征，在電負(fù)荷和磁負(fù)荷結(jié)構(gòu)受到的限制較少[1?5]。賈周等人提出一個用于車輪驅(qū)動領(lǐng)域的雙C型定子橫向磁通永磁電機(jī)[6]，研究結(jié)果表明，雙C型定子結(jié)構(gòu)可以顯著提高橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)的功率密度。趙玫等研究了圓筒型橫向磁通永磁直線電機(jī)，并與傳統(tǒng)徑向磁通和軸向磁通直線電機(jī)的推力密度進(jìn)行了對比分析[7]?？軐毴葮?gòu)建了一種雙向交鏈橫向磁通平板型永磁直線同步電機(jī)，克服了傳統(tǒng)橫向磁通永磁電機(jī)初級空間利用率不高的缺陷[8]。李紅梅等設(shè)計了一種定子疊片式外轉(zhuǎn)子橫向磁通永磁電機(jī)，實現(xiàn)兼顧抑制其漏磁和齒槽轉(zhuǎn)矩的研究目標(biāo)[9]。因此，新型橫向磁通永磁電機(jī)的研發(fā)對我國電機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的實踐價值。

1 ?雙Ω定子橫向磁通永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)

由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制，電機(jī)的電氣材料通常無法充分利用整個電機(jī)的體積[10]。而雙Ω型定子橫向磁通永磁直線電機(jī)克服了傳統(tǒng)形式橫向磁通永磁直線電機(jī)體積龐大、材料和空間利用不充分、漏磁嚴(yán)重等缺點，其具體結(jié)構(gòu)為在同一個電樞上整合兩組定子鐵心使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，相比于傳統(tǒng)單邊定子和雙邊定子機(jī)型的空間利用率顯著提高，進(jìn)而達(dá)到提高效率和功率密度的目的。本文在分析新型雙Ω定子橫向磁通永磁直線電機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計了兩類圓筒形的雙Ω定子橫向磁通永磁電機(jī)，同時驗證了其設(shè)計的合理性，并對比分析了兩種電機(jī)的優(yōu)劣勢。

1.1 ?電機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

單相結(jié)構(gòu)的雙Ω定子橫向磁通永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1a）所示，該類型電機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分。其中，定子部分包括Ω型定子鐵心組、集中電樞繞組;動子部分包括動子鐵心、永磁體。Ω型定子鐵心組包括開口方向相反的多個內(nèi)開口定子鐵心和多個外開口定子鐵心，內(nèi)開口定子鐵心和外開口定子鐵心在轉(zhuǎn)子運動的圓周方向上均勻地間隔錯列放置，共用一個放置在定子鐵心槽內(nèi)的電樞繞組。同一定子鐵心的兩側(cè)齒部所對應(yīng)的兩塊動子鐵心的磁極方向相反，同一左/右側(cè)相鄰的動子鐵心之間嵌入一塊永磁體。該單相結(jié)構(gòu)如需三相運行時，應(yīng)沿與繞組平行方向上依次放置三個相同的結(jié)構(gòu)并互為相差120°電角度。

三相結(jié)構(gòu)的雙Ω定子橫向磁通永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1b）所示。該電機(jī)同樣包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分，其中，轉(zhuǎn)子部分與單相結(jié)構(gòu)相同，定子部分不再共用同一個集中繞組，而是每一極分配一個繞組，即該電機(jī)的單極結(jié)構(gòu)包括單個內(nèi)開口定子鐵心、單個對應(yīng)的外開口定子鐵心和單個繞組。不同于單相結(jié)構(gòu)，三相結(jié)構(gòu)的電機(jī)僅僅通過自身結(jié)構(gòu)就能夠?qū)崿F(xiàn)三相運行。三相結(jié)構(gòu)電機(jī)的Ω型定子鐵心部分的頂端同樣也為Ω型，其開口寬度略大于繞組寬度，開口深度為2 rad，這樣可以在一定程度上提高繞組厚度的設(shè)計范圍。

1.2 ?工作原理

圓筒型雙Ω定子橫向磁通永磁電機(jī)主要包括定子鐵心、動子鐵心、永磁體和繞組四部分。一對極磁路依次經(jīng)過：永磁體[R41]→動子鐵心[R3]→定子鐵心[S11]→動子鐵心[R3]→永磁體[R42]→動子鐵心[R3]→定子鐵心[S12]→動子鐵心[R3]→永磁體[S41]，進(jìn)而形成一個閉合回路。隨著動子的旋轉(zhuǎn)運動，Ω型定子鐵心中匝鏈的磁通方向改變，進(jìn)而在電樞繞組中產(chǎn)生交變電動勢。由于橫向磁通電機(jī)磁路的三維特性，直接由平面圖表示出整個磁路結(jié)構(gòu)有一定的困難，故一對極磁路走向圖分為主視圖和左視圖兩部分，單相結(jié)構(gòu)的磁路走向圖如圖2所示。其一對極仿真磁路圖如圖3所示，三相結(jié)構(gòu)的磁路走向和一對極仿真磁路圖同單相結(jié)構(gòu)類似。

2 ?雙Ω定子橫向磁通永磁電機(jī)的性能分析

本文所提出的圓筒型雙Ω定子橫向磁通永磁電機(jī)同樣適用于一般橫向磁通永磁電機(jī)的理論研究。當(dāng)電樞繞組引入正弦電流時，定子鐵心中的磁鏈發(fā)生相應(yīng)改變，繼而引起動子的運動。雖然該電機(jī)結(jié)構(gòu)與之前的橫向磁通永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)不同，但磁路的工作原理相同，而且經(jīng)驗證也可以得到相似的試驗結(jié)果。

2.1 ?氣隙磁密分析

氣隙是電機(jī)能量轉(zhuǎn)換的重要場所，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電勢在很大程度上取決于氣隙中的磁通密度分布，因此氣隙磁通密度波形的優(yōu)劣直接影響電機(jī)的性能[11]。電機(jī)氣隙磁場如若含有幅值較大的齒諧波時，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時就很可能造成相繞組交鏈磁鏈的波動，進(jìn)一步導(dǎo)致相繞組反電勢的波動和相電流的脈動，并引起電磁轉(zhuǎn)矩的波動，最終引起電機(jī)的振動和噪聲[12]。由此可見，準(zhǔn)確計算電機(jī)氣隙內(nèi)的磁場分布是很重要的，本文兩類電機(jī)經(jīng)過三維有限元仿真得到其對應(yīng)的沿圓周分布的氣隙磁通密度波形圖，如圖4所示。

從圖4中可以看出，單相結(jié)構(gòu)的氣隙磁密波形是較為理想的梯形波，三相結(jié)構(gòu)的氣隙磁密波形形似于正弦波，但其波形的理想程度遠(yuǎn)不如單相結(jié)構(gòu)，可以看出單相結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置更為合理。另外，從圖4中還可以看出，兩類電機(jī)的氣隙磁密振幅均為0.5 T左右，而定子鐵心內(nèi)的磁密振幅約為1.6～1.8 T，驗證了該電機(jī)的合理性。

2.2 ?空載分析

為了驗證本文設(shè)計的永磁直線電機(jī)的性能，圖5給出了兩類電機(jī)在運行速度為1 500 rad/min時的空載反電動勢波形，圖6給出了兩類電機(jī)在運行速度為1 500 ?rad/min時的空載磁鏈波形。

從圖5可以看出，當(dāng)電機(jī)運行在空載、恒速度為1 500 rad/min時，單相結(jié)構(gòu)電機(jī)的反電勢波形和三相結(jié)構(gòu)電機(jī)的反電勢波形均為正弦變化的曲線，且三相結(jié)構(gòu)電機(jī)的三相電壓有很好的對稱性。從圖6可以看出，電機(jī)的磁鏈波形與電樞繞組的反電動勢波形相耦合，磁鏈的振幅接近0.2 Wb，反電動勢的振幅約為30 V，同時兩組定子鐵心在繞組中產(chǎn)生的同步反電動勢的相位相同。

2.3 ?負(fù)載分析

負(fù)載分析是電機(jī)運行時所承載負(fù)載的能力，本文所采用的電機(jī)通過有限元分析得到的負(fù)載電動勢波形如圖7所示，磁鏈波形如圖8所示，電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖9所示。

從圖7可以看出，當(dāng)電機(jī)運行在負(fù)載、恒速度為1 500 rad/min時，單相結(jié)構(gòu)電機(jī)的反電勢波形和三相結(jié)構(gòu)電機(jī)的反電勢波形均為接近正弦變化的曲線，且三相結(jié)構(gòu)電機(jī)的三相電壓同樣有很好的對稱性。與圖5所示的空載反電動勢相比，圖7中負(fù)載時的感應(yīng)電動勢波形和磁鏈波形的正弦程度稍差，這是由于空載反電動勢的相位僅由永磁體產(chǎn)生的磁場決定，而帶負(fù)載時的感應(yīng)電動勢波形由永磁體和負(fù)載電流共同作用所產(chǎn)生的磁場決定[13]。

從圖9可以看出，單相結(jié)構(gòu)的雙Ω定子橫向磁通永磁電機(jī)在額定狀態(tài)下電磁轉(zhuǎn)矩在35 N[?]m左右，三相結(jié)構(gòu)的雙Ω定子橫向磁通永磁電機(jī)在額定狀態(tài)下電磁轉(zhuǎn)矩在70 N[?]m左右，且其脈動幅值不是很大，表明兩類電機(jī)參數(shù)較為合理，滿足設(shè)計的基本要求。另外，在高轉(zhuǎn)矩場合，同樣工作狀態(tài)下的三相結(jié)構(gòu)雙Ω定子橫向磁通永磁電機(jī)比單相結(jié)構(gòu)雙Ω定子橫向磁通永磁電機(jī)更有優(yōu)勢。

3 ?結(jié) ?論

本文所提到的兩類圓筒型雙Ω定子橫向磁通永磁電機(jī)在三維空間具有獨特的橫向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其磁通密度分布、反電勢、磁鏈波形和電磁轉(zhuǎn)矩通過三維有限元分析得到的仿真結(jié)果表明：

1） 單相結(jié)構(gòu)的雙Ω定子橫向磁通永磁電機(jī)和三相結(jié)構(gòu)的雙Ω定子橫向磁通永磁電機(jī)的磁通密度分布、反電勢波形、磁鏈波形以及電磁轉(zhuǎn)矩的相關(guān)參數(shù)都較為合理，性能參數(shù)符合電機(jī)設(shè)計的基本要求。

2） 在同樣的工作條件下，三相結(jié)構(gòu)的雙Ω定子橫向磁通永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)相對于單相結(jié)構(gòu)電機(jī)更加緊湊，其輸出轉(zhuǎn)矩是單相結(jié)構(gòu)電機(jī)的2倍，但磁通密度分布、反電勢、磁鏈參數(shù)波形的正弦化程度不如單相結(jié)構(gòu)電機(jī)，因此三相結(jié)構(gòu)電機(jī)適用于對電機(jī)體積限制嚴(yán)格、轉(zhuǎn)矩高的場合。

3） 在同樣的工作條件下，單相結(jié)構(gòu)的雙Ω定子橫向磁通永磁電機(jī)的磁通密度分布、反電勢、磁鏈參數(shù)波形的正弦化程度比三相結(jié)構(gòu)電機(jī)好，因此單相結(jié)構(gòu)電機(jī)適用于電機(jī)精度要求較高的場合。

參考文獻(xiàn)

[1] BASERRAH S， RIXEN K， ORLIK B. Transverse flux machines with distributed windings for in?wheel applications [C]// 2009 International Conference on Power Electronics and Drive Systems. Taipei， China： IEEE， 2009： 102?108.

[2] WEH H， MOSEBACH H， MAY H. Design concepts and force generation in inverter?fed synchronous machines with permanent magnet excitation [J]. IEEE transactions on magnetics， 1984， 20（5）： 1756?1761.

[3] WEH H， MAY H. New permanent magnet excited synchronous machine with high efficiency at low speed [C]// Proceedings of 1988 International Conference on Electronic Machine. Pisa， Italy： IEEE， 1988： 35?40.

[4] BANG D， POLINDER H， SHRESTHA G， et al. Review of generator systems for direct?drive wind turbines [C]// Procee?dings of 2008 European Wind Energy Conference Exhibition. Belgium： IEEE， 2008： 1?11.

[5] BASERRAH S， ORLIK B. Initial experimental verification of a compact permanent magnet transverse flux machine in a sector configuration [C]// 2011 IEEE International Electric Machines & Drives Conference. Niagara Falls： IEEE， 2011： 1159?1164.

[6] 賈周，林鶴云，黃允凱，等.一種新型雙C型定子橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2015，35（11）：2831?2837.

JIA Zhou， LIN Heyun， HUANG Yunkai， et al. A novel transverse?flux PM linear machine with double Ω?hoop stator [J]. Proceedings of the CSEE， 2015， 35（11）： 2831?2837.

[7] 趙玫，鄒繼斌，王騫，等.圓筒型橫向磁通永磁直線電機(jī)的基礎(chǔ)研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2014，29（z1）：80?89.

ZHAO Mei， ZOU Jibin， WANG Qian， et al. Basic research on cylindrical transverse flux permanent magnet linear motor [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2014， 29（S1）： 80?89.

[8] 寇寶泉，楊國龍，周維正，等.雙向交鏈橫向磁通平板型永磁直線同步電機(jī)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，32（33）：75?81.

KOU Baoquan， YANG Guolong， ZHOU Weizheng， et al. Bidirectional cross linking transverse flux flat type permanent magnet linear synchronous motor [J]. Proceedings of the CSEE， 2012， 32（33）： 75?81.

[9] 李紅梅，姚宏洋.定子疊片式外轉(zhuǎn)子橫向磁通永磁電機(jī)設(shè)計[J].電工技術(shù)學(xué)報，2014，29（z1）：103?107.

LI Hongmei， YAO Hongyang. Design of an outer rotor transverse flux permanent magnet motor with laminated stator [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2014， 29（S1）： 103?107.

[10] 吳迪，辜承林.新型橫向磁通永磁電機(jī)三維磁路分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，30（33）：90?95.

WU Di， GU Chenglin. 3D magnetic circuit analysis of a novel transverse flux permanent magnet machine [J]. Proceedings of the CSEE， 2010， 30（33）： 90?95.

[11] 趙朝會，李遂亮，王新威，等.永磁同步電機(jī)氣隙磁密影響因素的分析[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，39（3）：338?344.

ZHAO Chaohui， LI Suiliang， WANG Xinwei， et al. Influen?cing factor analysis of PMSM air gap flux density [J]. Journal of Henan Agricultural University， 2005， 39（3）： 338?344.

[12] 王興華，勵慶孚，王曙鴻.永磁無刷直流電機(jī)空載氣隙磁場和繞組反電勢的解析計算[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2003，23（3）：126?130.

WANG Xinghua， LI Qingfu， WANG Shuhong. An analytical calculation of the air gap magnetic field and the back EMF of a permanent magnet brushless DC motor [J]. Proceedings of the CSEE， 2003， 23（3）： 126?130.

[13] 王興華，勵慶孚，王曙鴻.永磁無刷直流電機(jī)負(fù)載磁場及其電磁轉(zhuǎn)矩的計算[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2003，23（4）：140?144.

WANG Xinghua， LI Qingfu， WANG Shuhong. Calculation of the load magnetic field and electromagnetic torque of permanent magnet brushless DC motor [J]. Proceedings of the CSEE， 2003， 23（4）： 140?144.