橫向磁通雙凸極永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)

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1、 分類號(hào) 密級(jí) UDC 華中科技大學(xué) 博士學(xué)位論文 橫 向 磁 通 雙 凸 極 永 磁 電 機(jī) 的 設(shè) 計(jì) 與 分 析 學(xué)位申請(qǐng)人：瞿 遂 春 學(xué) 科專 業(yè)：電機(jī)與電器 指 導(dǎo)教 師：詹瓊?cè)A教授 論文答辯日期： 學(xué)位授予日期 答辯委員會(huì)主席 評(píng)閱人： 華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文 Design and

2、 Analysis of Transverse Flux Doubly Salient Permanent Magnet Machine Ph.D.Candidate: Qu Suichun Major : Electrical Machine Supervisor : Prof. Zhan Qionghua Huazhang Universityof Science and Technology Wuhan,Hubei 530075,P.R.China July,2010 華中科技大學(xué)學(xué)位

3、論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 華中科技大學(xué)論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本人了解華中科技大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留學(xué)位論文，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用復(fù)印、縮印或其他手段保存學(xué)位論文；學(xué)?？筛鶕?jù)

4、國(guó)家或省有關(guān)部門規(guī)定送交學(xué)位論文。 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 摘 要 由于橫向磁通電機(jī)（TFM）具有轉(zhuǎn)矩密度高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、低速性能好以及設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，已成為研究開(kāi)發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。但是因?yàn)樵擃愲姍C(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本高、磁場(chǎng)分析難度大，從而限制了橫向磁通電機(jī)的廣泛應(yīng)用。本文研究工作主要是圍繞一種新型結(jié)構(gòu)的橫向磁通雙凸極永磁電機(jī)（TFDSPM）設(shè)計(jì)與研究展開(kāi)的。 本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的三相橫向磁通雙凸極永磁電機(jī)，對(duì)其進(jìn)行了理論分析，定、轉(zhuǎn)子齒極由硅鋼片疊壓而成，定

5、子繞組為環(huán)形繞組。在定、轉(zhuǎn)子的齒極上貼裝永磁體，此結(jié)構(gòu)大大降低了加工的難度和成本。各相之間依次錯(cuò)開(kāi)1200電角度，即可防止電機(jī)存在起動(dòng)轉(zhuǎn)矩死點(diǎn)，又能有效削弱定位轉(zhuǎn)矩，減小電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。根據(jù)TFDSPM電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了簡(jiǎn)化到一對(duì)極結(jié)構(gòu)的三維磁網(wǎng)絡(luò)模型，提出了TFDSPM電機(jī)主要尺寸的估算方法。 TFDSPM電機(jī)磁路復(fù)雜，利用二維磁場(chǎng)的分析結(jié)果不夠準(zhǔn)確，需要用三維磁場(chǎng)進(jìn)行分析。分析三維磁場(chǎng)的難點(diǎn)是計(jì)算時(shí)間和精度問(wèn)題。本文中系統(tǒng)推導(dǎo)了應(yīng)用標(biāo)量磁位法對(duì)電流區(qū)域作為永磁體進(jìn)行處理的一般方法，基于三維等效磁網(wǎng)絡(luò)法編制出三維有限元軟件，使用標(biāo)量磁位法求解可以比矢量磁位法具有更少的未知數(shù)，可以減少計(jì)

6、算時(shí)間。 利用所編制的三維有限元軟件對(duì)TFDSPM樣機(jī)進(jìn)行了磁場(chǎng)分析和參數(shù)計(jì)算，得到的結(jié)果作為TFDSPM電機(jī)性能分析和樣機(jī)制造的依據(jù)。利用磁場(chǎng)分析結(jié)果對(duì)樣機(jī)局部結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，研究?jī)?nèi)容主要包括：定、轉(zhuǎn)子鐵心厚度、永磁體尺寸、氣隙長(zhǎng)度、極距以及電機(jī)極數(shù)等對(duì)電機(jī)性能的影響。分析結(jié)果表明，上述各參數(shù)的取值在合適的范圍之內(nèi)時(shí)，可以獲得較優(yōu)的性能。另外對(duì)電機(jī)的靜態(tài)特性及其主要參數(shù)進(jìn)行了仿真計(jì)算。最后設(shè)計(jì)了一臺(tái)TFDSPM樣機(jī)，并將該樣機(jī)的主要性能、參數(shù)與橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（TFSRM）及徑向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）作了比較研究，證明TFDSPM電機(jī)具有較高的轉(zhuǎn)矩密度和有效材料利用率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果

7、也驗(yàn)證了理論的正確性。 本文對(duì)TFDSPM電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字仿真。首先闡述了TFDSPM電機(jī)的基本控制原理，建立了電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)樣機(jī)的輸出特性進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明橫向磁通雙凸極永磁電機(jī)具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，低速性能好的特點(diǎn)。最后，重點(diǎn)討論了不同的電流斬波方式對(duì)電機(jī)性能的影響，并得出了采用斬單管方式更有利提高電機(jī)的整體性能的結(jié)論。 關(guān)鍵詞：橫向磁通，雙凸極永磁電機(jī)，三維等效磁網(wǎng)絡(luò)法，靜態(tài)特性，電機(jī)尺寸優(yōu)化，DSP控制系統(tǒng)  ABSTRACT Transverse flux machine (TFM) has the advantages of high torque d

8、ensity, large starting torque and good low speed performance as well as designed flexibility. So TFM has attracted more attentions. But because of its complex structure and magnetic, high manufacture cost, the TFM's application is limited so far. This dissertation focuses on the design and research

9、on a novel transverse flux doubly salient permanent magnet machine (TFDSPM). A novel structured three phases TFDSPM is developed and analyzed in this dissertation. Its stator and rotor poles can be stacked by laminated silicon steel, its stator winding is a ring-shaped winding, permanent magnet a

10、re arranged on the teeth of stator and rotor poles, which can greatly reduce the manufacture difficulty and cost. There is an electric angle difference of 120o between each phase so that there does not exist dead point any longer in starting procedure and the cogging torque and torque ripple can als

11、o be reduced. The TFDSPM three-dimensional magnet-network model can be reduced to only one pair of pole because of its special structure. And the calculating method of the main dimensions is also developed. Because of the complexity of the TFDSPM field, it is not accurate enough to use 2D method to

12、 analyze it and then a 3D method is necessary.The key points are the calculation time and accuracy for 3D analysis. The scalar potential is adopted in this thesis, which has much fewer variants than the vector potential. So the calculating time can be greatly reduced. The general method to process t

13、he current area and magnet is deduced. A 3DFEM application software is programmed to analyze to TFDSPM field based on three-dimensional equivalent magnet-network method. With the help of the programmed software, the magnetic field of the TFDSPM prototype is analyzed and some parameters are calculat

14、ed. The acquired results are the basis of evaluate the machine performance and to guide manufacture. The impacts of the stator and rotor core thickness、 magnet thickness、air gas length、pole distance and pole mumble are researched. It is found that the machine can gain better performance if these val

15、ues are within a proper range .The static characteristics and other major parameters are also calculated. Meanwhile, the TFDSPM is compared with a TFSRM and a SRM which have higher torque density and better material usage ratio, the test results proves the correctness of the theory about TFDSPM.

16、The digital simulation about the TFDSPM control system is made in this dissertation .First of all, the basic control principle of the TFDSPM and the mathematic model are put forward. Secondly, the output characteristics of the prototype are simulated. The simulation results show that the TFDSPM has

17、the advantages of large starting torque and good low-speed performance. Furthermore, the impact of different current chopping modes is simulated. And it is found that the machine performance can be improved by chopping modes of single-switched. Keywords: Transverse Flux, Doubly Salient Permanent M

18、agnet Machine, Three-Dimensional Equivalent Magnet-Network Model, Static Characteristics, Machine Optimization, DSP Control System 目 錄 摘 要 I ABSTRACT III 目 錄 V 第一章 緒 論 1 1.1 課題研究的目的與意義 1 1.2橫向磁通電機(jī)的基本類型及特

19、點(diǎn) 2 1.2.1 橫向磁通電機(jī)的工作原理 2 1.2.2 橫向磁通電機(jī)的基本類型及特點(diǎn) 4 1.3 橫向磁通電機(jī)電磁參數(shù)分析方法 11 1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容 13 第二章 TFDSPM電機(jī)理論分析 15 2.1 TFDSPM電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 15 2.2 TFDSPM電機(jī)的線性模式分析 17 2.3永磁體勵(lì)磁單獨(dú)作用時(shí)，TFDSPM電機(jī)性能分析 22 2.4定子繞組勵(lì)磁和永磁體的勵(lì)磁共同作用時(shí)，TFDSPM電機(jī)的性能分析 24 2.5控制方式 25 2.6本章小結(jié) 27 第三章 橫向磁通雙凸極永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及主要尺寸確定 29 3.1 TFDSPM電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

20、設(shè)計(jì) 29 3.1.1 總體設(shè)計(jì) 29 3.1.2 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì) 33 3.1.3 位置檢測(cè)器的設(shè)計(jì) 34 3.1.4 電樞繞組工藝處理 35 3.1.5 電機(jī)冷卻 35 3.2 TFDSPM電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 35 3.3 TFDSPM電機(jī)的主要尺寸確定 36 3.3.1 TFDSPM電機(jī)預(yù)設(shè)計(jì) 36 3.3.2 TFDSPM電機(jī)主要尺寸的確定 38 3.4 TFDSPM樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù) 42 3.5 本章小結(jié) 43 第四章 TFDSPM電機(jī)的三維等效磁網(wǎng)絡(luò)法分析 44 4.1 概述 44 4.2 電機(jī)的三維磁網(wǎng)絡(luò)模型 45 4.3 三維等效磁網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的計(jì)算 46 4

21、.3.1 電機(jī)電磁場(chǎng)的基本方程 46 4.3.2 磁網(wǎng)絡(luò)單元磁導(dǎo)的計(jì)算 47 4.3.3 永磁體的磁導(dǎo)、磁勢(shì)計(jì)算 48 4.3.4 電流源的等效磁動(dòng)勢(shì) 50 4.4 網(wǎng)絡(luò)方程的建立 52 4.5 網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)任意點(diǎn)的計(jì)算 53 4.6 基于三維等效磁網(wǎng)絡(luò)法的TFDSPM電機(jī)靜態(tài)特性分析 54 4.6.1 TFDSPM電機(jī)三維等效磁網(wǎng)絡(luò)模型建立及等效磁網(wǎng)絡(luò)剖分 55 4.6.2 定子繞組勵(lì)磁單獨(dú)作用時(shí)TFDSPM電機(jī)氣隙磁場(chǎng)分布 56 4.6.3 定子繞組勵(lì)磁單獨(dú)作用時(shí)TFDSPM電機(jī)相繞組電感分析 58 4.6.4 定子繞組勵(lì)磁單獨(dú)作用時(shí)TFDSPM電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩分析 59

22、4.6.5 TFDSPM電機(jī)氣隙磁場(chǎng)分布 59 4.6.6 TFDSPM電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩分析 61 4.7 本章小結(jié) 63 第五章 TFDSPM電機(jī)磁場(chǎng)分析與參數(shù)計(jì)算 65 5.1 TFDSPM定位轉(zhuǎn)矩分析及削弱方法研究 65 5.2 TFDSPM電機(jī)主要參數(shù)計(jì)算與分析 68 5.2.1 TFDSPM電機(jī)相繞組電勢(shì)的計(jì)算與分析 68 5.2.2 TFDSPM電機(jī)效率特性分析和計(jì)算 69 5.3 TFDSPM電機(jī)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)及研究 71 5.3.1 極數(shù)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響 71 5.3.2 極距對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響 72 5.3.3 定子鐵心厚度對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響 73 5.3.4

23、氣隙長(zhǎng)度對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響 73 5.3.5 永磁體尺寸對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響 74 5.4 TFDSPM與TFSRM電機(jī)對(duì)比研究 75 5.4.1 TFDSPM電機(jī)與TFSRM電機(jī)相繞組磁鏈的對(duì)比研究 75 5.4.2 TFDSPM電機(jī)與TFSRM電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性對(duì)比分析 76 5.5 TFDSPM電機(jī)與TFSRM電機(jī)及感應(yīng)電機(jī)性能對(duì)比分析 77 5.6 本章小結(jié) 78 第六章 TFDSPM電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 79 6.1 功率變換器的選擇及研究 79 6.2 控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 86 6.2.1 DSP控制器 86 6.2.2 軟件設(shè)計(jì) 90 6.3 本章小結(jié) 93 第

24、七章 TFDSPM電機(jī)仿真及實(shí)驗(yàn)研究 94 7.1 TFDSPM電機(jī)模型 94 7.2 功率變換器模型 95 7.3 其他控制器模型 96 7.4 TFDSPM電機(jī)系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析 97 7.5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 98 7.6 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)設(shè)備 98 7.7 TFSRM電機(jī)和TFDSPM電機(jī)矩角特性實(shí)驗(yàn) 99 7.8 TFSRM電機(jī)和TFDSPM電機(jī)機(jī)械特性實(shí)驗(yàn) 101 第八章 總結(jié)與展望 103 致 謝 105 參 考 文 獻(xiàn) 106 VIII 華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文

25、第一章 緒 論 本章主要介紹了課題研究的目的與意義，首先分析了橫向磁通電機(jī)（Transverse Flux Motor——TFM）的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)幾種主要的橫向磁通電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，分析了它們的工作原理及特點(diǎn)，總結(jié)了橫向磁通電機(jī)電磁參數(shù)的分析方法，最后針對(duì)橫向磁通雙凸極永磁電機(jī)設(shè)計(jì)及計(jì)算中存在的若干問(wèn)題，提出了本文的研究?jī)?nèi)容。 1.1 課題研究的目的與意義 自從十九世紀(jì)20年代發(fā)明第一臺(tái)電機(jī)以來(lái)，電機(jī)的發(fā)展己經(jīng)有近二百年的歷史，它給人們的生活帶來(lái)了極大的方便和天翻地覆的變化，甚至可以說(shuō)電機(jī)加速了人類歷史的進(jìn)展。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人民生活水平的提高，需要不斷地開(kāi)發(fā)各種新型

26、電機(jī)?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步、新技術(shù)、新材料的不斷涌現(xiàn)，也促進(jìn)了電機(jī)產(chǎn)品的不斷推陳出新，在過(guò)去由于受材料特性、器件性能、計(jì)算手段等因素的影響，人們所設(shè)計(jì)的電機(jī)大多局限于一種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)——徑向磁通結(jié)構(gòu)，該種電機(jī)的磁場(chǎng)通?？捎枚S磁場(chǎng)來(lái)分析，這樣在分析時(shí)可以作較大簡(jiǎn)化，降低了分析難度。近年來(lái)，隨著特殊應(yīng)用場(chǎng)合的需要，以及新型材料（比如高性能永磁體）的出現(xiàn)、大功率電力電子器件的發(fā)明、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，人們?cè)O(shè)計(jì)電機(jī)的理念也發(fā)生了轉(zhuǎn)變，使得設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)特殊、性能優(yōu)良的電機(jī)成為可能。上世紀(jì)八十年代末，德國(guó)電機(jī)專家H.Weh教授首創(chuàng)的一種新型電機(jī)即橫向磁通永磁電機(jī)（Transverse Flux Permanen

27、t Magnetic Motor—TFPM）更是給電機(jī)研究注入了新的活力[1]。與傳統(tǒng)電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)不同，TFM的電樞繞組與主磁路在結(jié)構(gòu)上完全解耦，因此可以根據(jù)需要調(diào)整磁路尺寸和線圈窗口來(lái)確定電機(jī)的電磁負(fù)荷，不存在傳統(tǒng)電機(jī)在增加氣隙磁通與繞組電流密度之間結(jié)構(gòu)上的相互制約關(guān)系，從而獲得較高的轉(zhuǎn)矩密度，可以達(dá)到80kN/m3以上[2]。TFM除能提供比傳統(tǒng)電機(jī)大得多的轉(zhuǎn)矩密度之外，因轉(zhuǎn)子極數(shù)多、轉(zhuǎn)速低，所以可以取消齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，消除由齒輪傳動(dòng)引起的噪聲和機(jī)械損耗，提高整個(gè)裝置的精度和可靠性，延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命。另外，TFM的模塊化結(jié)構(gòu)易于組成多相形式，缺相也能正常工作，提高了容錯(cuò)能力，已在諸如風(fēng)力發(fā)

28、電[6]、電動(dòng)汽車[11]、破冰船、游輪以及潛艇[5]等領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前許多國(guó)家都在積極開(kāi)展TFM的研究工作，并已取得階段性成果。德國(guó)于1988年率先完成55kWTFPM電機(jī)樣機(jī)后又在1999年將其作為今后電動(dòng)車發(fā)展的優(yōu)化部件之一，列入KOFEH計(jì)劃加以研究;英美等國(guó)制定了21世紀(jì)高性能水面戰(zhàn)艦的新一代綜合全電力推進(jìn)（Integrated Full Electric Propulsion—IFEP）系統(tǒng)以改進(jìn)傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)笨重、龐大的缺陷。其中，作為驅(qū)動(dòng)核心的TFM由于省略了齒輪裝置，可以靈活安置在船尾后部，這樣既縮短了推進(jìn)軸，又節(jié)省電能損耗，提高艦船整體的工作效率和可靠性，顯示出重要的軍用價(jià)

29、值。根據(jù)IFEP發(fā)展計(jì)劃，在英國(guó)國(guó)防部的資助下，由英國(guó)Rolls-Royce國(guó)際研究發(fā)展中心（IRO）A.J.Mitcham等教授組成的課題組，于1998年開(kāi)始了電力推進(jìn)船用橫向磁通電機(jī)的研究，已成功研制3MW實(shí)驗(yàn)用聚磁式橫向磁通永磁電機(jī)，并準(zhǔn)備進(jìn)一步研究制造20MW、180rpm艦船用推進(jìn)電動(dòng)機(jī)[7]；美國(guó)通用汽車公司Allison電氣傳動(dòng)部于1999年開(kāi)始研制30KW電動(dòng)車用橫向磁通電機(jī)[15]。我國(guó)對(duì)此類電機(jī)的研究才剛剛起步[16]，為使我國(guó)橫向磁通電機(jī)的發(fā)展步入世界行列，我們應(yīng)該在大量吸收國(guó)外設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和研究成果的基礎(chǔ)上，研制、推廣具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的橫向磁通電機(jī)。應(yīng)該看到，橫向磁通電機(jī)無(wú)

30、論在設(shè)計(jì)理念還是結(jié)構(gòu)工藝等方面，都具有特殊性，它的進(jìn)一步發(fā)展仍然面臨著許多挑戰(zhàn)。首先結(jié)構(gòu)、工藝上的復(fù)雜性導(dǎo)致電機(jī)成本居高不下；其次電機(jī)功率因數(shù)較低，因此提高了驅(qū)動(dòng)變換器的功率等級(jí)；另外轉(zhuǎn)子極數(shù)多，在增加轉(zhuǎn)速時(shí)將大幅度提高電機(jī)工作頻率，給系統(tǒng)帶來(lái)諸多不利后果[17]。 從目前檢索到的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)看，介紹TFM電機(jī)基本原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的占絕大多數(shù)，關(guān)于其尺寸設(shè)計(jì)、加工工藝、通風(fēng)發(fā)熱等方面的內(nèi)容并不多見(jiàn)。而且由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)大多存在于部分設(shè)計(jì)人員頭腦中，如何總結(jié)這些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的深層次研究，建立準(zhǔn)確規(guī)范的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步解決橫向磁通電機(jī)的主要性能缺陷是當(dāng)前急待解決的重要問(wèn)題。TFM的出現(xiàn)提出

31、了一種全新的理念，突破了傳統(tǒng)電機(jī)的設(shè)計(jì)思想，開(kāi)辟了一個(gè)全新的領(lǐng)域。從已有的結(jié)論來(lái)看，橫向磁通電機(jī)已顯示了較好的前景，同時(shí)還有許多領(lǐng)域有待探索。所以，無(wú)論從學(xué)術(shù)或?qū)嶋H應(yīng)用的角度對(duì)橫向磁通電機(jī)進(jìn)行研究都有很大意義。 1.2橫向磁通電機(jī)的基本類型及特點(diǎn) 1.2.1 橫向磁通電機(jī)的工作原理 在講述TFM工作原理之前，首先對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)（徑向磁通電機(jī),簡(jiǎn)稱為RFM）的電磁負(fù)荷關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。圖1-1所示為徑向磁通電機(jī)橫切面局部示意圖。 圖1-1 徑向磁通電機(jī)齒槽結(jié)構(gòu)示意圖 由電機(jī)學(xué)知識(shí)我們知道，電機(jī)產(chǎn)生的平均電磁力可表示為： （1-1）

32、 一個(gè)極下電機(jī)氣隙力密度為： （1-2） 其中，為電機(jī)氣隙磁密，為電機(jī)電負(fù)荷。由式1-2看出，可以通過(guò)兩條途徑增加力密度:一是增加氣隙磁密，二是增加電負(fù)荷值。但是，由圖1-1可以看出,電機(jī)齒部和線槽位于同一平面內(nèi)，因此它們之間不是獨(dú)立的，其相互關(guān)系可以從下面公式看出來(lái)。 （1-3） （1-4） 其中，為齒部寬度，為一個(gè)齒節(jié)距，為齒部磁密，為電流密度，為槽面積。電流密度與齒部磁密分別

33、取決于電機(jī)的冷卻方式和鐵磁材料的飽和程度，只有通過(guò)增加齒寬和槽面積來(lái)提高轉(zhuǎn)矩密度。由此可以得出，在電樞內(nèi)、外徑一定的情況下，若增加氣隙磁密，為保證電機(jī)齒部磁密不會(huì)增加而導(dǎo)致過(guò)飽和，勢(shì)必要增加，由于線槽和齒部在同一個(gè)平面內(nèi)，增加就意味著減小線槽面積。在電流密度不變情況下，就必須減小電負(fù)荷，不能有效提高力密度。反之，若要通過(guò)增加電負(fù)荷值來(lái)增加，在保持不變的情況下，需增大槽面積，這樣做的結(jié)果是導(dǎo)致齒部寬度減小。此時(shí)若要繼續(xù)保證磁密不變，必需降低氣隙磁通密度，同樣也不能達(dá)到目的。由上述分析可以看出，由于電負(fù)荷和磁負(fù)荷存在競(jìng)爭(zhēng)同一平面的矛盾，使得在增加力密度時(shí)受到限制[67]。 橫向磁通電機(jī)，通過(guò)巧妙

34、的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電磁負(fù)荷的解耦，可以分別增大電負(fù)荷和磁負(fù)荷而不會(huì)相互制約，從而可以獲得較高力密度。 圖1-3(b)是Weh教授發(fā)明的TFM原型機(jī)局部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。轉(zhuǎn)子采用聚磁式結(jié)構(gòu)，沿周向相鄰的兩塊永磁體極性相反，每塊永磁體之間是轉(zhuǎn)子鐵心，對(duì)磁通起聚集的作用，沿軸向并排的永磁體極性也相反，在對(duì)應(yīng)的鐵心中形成相反極性。為提高永磁材料的利用率，電機(jī)采用雙邊（雙定子）結(jié)構(gòu)，內(nèi)外定子沿周向錯(cuò)開(kāi) 一個(gè)極距，如圖1-3(b)所示，定子鐵心為U形結(jié)構(gòu)，圖中箭頭所指方向是某位置時(shí)永磁體產(chǎn)生磁通的主磁路路徑:由轉(zhuǎn)子前端永磁體N極開(kāi)始，到外定子U形鐵心前端磁極，經(jīng)U形鐵心軛部到U形鐵心后端磁極，到轉(zhuǎn)子后端永磁體

35、S極，經(jīng)過(guò)永磁體內(nèi)部到N極，到內(nèi)定子U形鐵心后端，經(jīng)U形鐵心軛部到U形鐵心前端磁極，回到出發(fā)永磁體S極，經(jīng)永磁體內(nèi)部形成閉合回路。在U形鐵心凹槽內(nèi)是環(huán)形線圈，由于線圈為環(huán)形集中繞組，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作起來(lái)也很方便。 當(dāng)環(huán)形線圈中通過(guò)某一方向電流后，會(huì)在U形鐵心中產(chǎn)生磁場(chǎng)，鐵心兩端相當(dāng)于兩個(gè)磁極。定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子沿某一方向旋轉(zhuǎn)。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)，在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)極距（180°電角度）后改變電流方向，就會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子沿某一固定方向不停地旋轉(zhuǎn)。 從以上分析可知，由于定子鐵心對(duì)磁場(chǎng)的導(dǎo)向作用，使得主磁路和載流線圈不競(jìng)爭(zhēng)同一平面，這樣可以在解耦情況下增

36、加氣隙磁密或電負(fù)荷。同時(shí)，由于極與極之間為空氣，相當(dāng)于增加了散熱面積。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，橫向磁場(chǎng)電機(jī)可具有較高的氣隙磁密和電負(fù)荷，從而可以獲得較高的力密度。文獻(xiàn)[10]研究表明，橫向磁場(chǎng)電機(jī)輸出的力密度可達(dá)傳統(tǒng)電機(jī)的3～5倍之多。 1.2.2 橫向磁通電機(jī)的基本類型及特點(diǎn) 在Weh教授推出TFPM電機(jī)的近二十年間，許多電機(jī)學(xué)者對(duì)其復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)研究，并結(jié)合最新制造工藝，提出多種結(jié)構(gòu)迥異的橫向磁通電機(jī)。按照永磁體的放置方式可分為表面式、聚磁式等，每種結(jié)構(gòu)又包括單邊式和雙邊式兩種;按照永磁體的放置情況可分為有源轉(zhuǎn)子式（永磁體位于轉(zhuǎn)子）、無(wú)源轉(zhuǎn)子式（永磁體位于定子）及磁阻式（無(wú)永磁體）；按照轉(zhuǎn)

37、子的運(yùn)動(dòng)方向可分為直線式、旋轉(zhuǎn)式;按照定子鐵心形狀可分為U型、C型、E型及Z型等不同結(jié)構(gòu)[67]。下面就其中幾種具有代表意義的TFM電機(jī)拓?fù)浼捌渲饕阅苓M(jìn)行介紹. 單邊橫向磁通電機(jī)（Single-sided transverse flux machine-SSTFM）[18] 圖1-2是單邊橫向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，永磁體均勻分布在轉(zhuǎn)子表面，相鄰永磁體被充磁成不同極性。最初的SSTFM沒(méi)有磁橋設(shè)計(jì)，U形定子元件以兩倍極距呈圓周分布，其兩個(gè)齒部對(duì)應(yīng)的永磁體極性相反。這種結(jié)構(gòu)使一半永磁體沒(méi)有和定子元件形成回路，在沒(méi)有產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的同時(shí)它所產(chǎn)生的漏磁通還會(huì)削弱定子中的主磁通。因此對(duì)早期SSTFM進(jìn)

38、行改進(jìn)，如圖1-2（a）所示的表面式結(jié)構(gòu)中在那些沒(méi)有被利用的永磁體上放置由軟鐵材料制成的梯形磁橋，提供磁通并聯(lián)支路，減少漏磁。其缺點(diǎn)是磁橋使繞組空間縮小，導(dǎo)致定子磁動(dòng)勢(shì)降低。圖1-2（b）是采用切向充磁的聚磁式結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)子永磁體沿切向充磁，相鄰兩片永磁體極性相對(duì)，形成聚磁效果，這樣既增加了轉(zhuǎn)矩密度也提高了磁鋼利用率。 通常對(duì)SSTFM電機(jī)而言，多采用內(nèi)定子（外轉(zhuǎn)子）結(jié)構(gòu)，主要有以下優(yōu)點(diǎn): （1）從加工工藝來(lái)看，內(nèi)定子結(jié)構(gòu)更易于繞組下線; （2）從電機(jī)性能來(lái)看，因轉(zhuǎn)子的徑向尺寸比定子小，外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使電機(jī)的氣隙處直徑與外徑比更大，這樣在電機(jī)體積相同的情況下，可以獲得更高的輸出轉(zhuǎn)矩，尤其在風(fēng)力

39、發(fā)電領(lǐng)域得到青睞。 （a） (b) 1、定子 2、繞組 3、磁橋 5、轉(zhuǎn)子 圖1-2 單邊橫向磁通電機(jī) 雙邊橫向磁通電機(jī)（Double-sided transverse flux machine-DSTFM）[19] 圖1-3是雙邊橫向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。由于在轉(zhuǎn)子兩側(cè)同時(shí)安置定子元件，雙氣隙結(jié)構(gòu)使DSTFM比SSTFM具有更大的輸出轉(zhuǎn)矩能力。但其有源轉(zhuǎn)子類似懸臂結(jié)構(gòu)，較難固定，機(jī)械強(qiáng)度差。圖1-3（a）是帶磁橋的DSTFM，圖1-3（b）是省略了磁橋的聚磁式DSTFM，梯形磁橋的省略并不影響磁路。這樣不但減少了鐵心材料

40、的使用，而且還可以減輕電機(jī)重量，降低電機(jī)成本。 （a） (b) 1、定子 2、繞組 3、磁橋 4、轉(zhuǎn)子 圖1-3 雙邊橫向磁通電機(jī) 改進(jìn)的雙邊聚磁式橫向磁通電機(jī)（Improved Double-sided flux transverse flux machine-IDSFCTFM）[20] 圖1-4 Weh氏雙邊聚磁式橫向磁通電機(jī)及其軸向磁通路徑圖 圖1-4是雙邊聚磁式橫向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。顧名思義，由于聚磁作用，這種電機(jī)能在氣隙產(chǎn)生較大磁密，在一定電流條件下可以提供較大的輸出轉(zhuǎn)矩。而采用徑向充磁的SSTFM和D

41、STFM轉(zhuǎn)子磁鋼沒(méi)有聚磁效果，因此轉(zhuǎn)矩密度相對(duì)較低，SSTFM的不足之處與DSTFM類似，即轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度差，加工工藝復(fù)雜。 圖1-5 改進(jìn)的雙邊聚磁式橫向磁通電機(jī)周向及徑向結(jié)構(gòu)圖 將DSFCTFM的兩個(gè)定子合成一個(gè)C形定子，得到圖1-5所示的IDSFCTFM結(jié)構(gòu)。由于定子移到轉(zhuǎn)子外側(cè)，利于轉(zhuǎn)子固定。因有源轉(zhuǎn)子不再是懸臂結(jié)構(gòu)，明顯提高了轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度。 C形橫向磁通永磁電機(jī)（C-TFM）[12] （a） 單相立體結(jié)構(gòu)圖 （b）兩相軸向剖面圖 圖1-6 C形橫向磁通永磁電機(jī) 如圖1-6所示，為了節(jié)省鐵心用量，將IDSFCTFM定子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90

42、°得到C形橫向磁通電機(jī)。C形定子鐵心采用硅鋼片卷繞，再用線切割加工成形，加工工藝十分復(fù)雜.若采用鐵粉心等軟磁材料，可以簡(jiǎn)化制造工藝，降低電機(jī)成本。 E形鐵心橫向磁通永磁電機(jī)（E-TFM）[22] 如圖1-7所示，在C形定子鐵心的基礎(chǔ)上引入中間過(guò)渡鐵心形成E形定子鐵心結(jié)構(gòu)。由干過(guò)渡鐵心相當(dāng)于提供內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間磁通路徑的磁橋，其徑向尺寸相對(duì)較小，與文獻(xiàn)[12]結(jié)構(gòu)相比，減小了電機(jī)體積，降低了材料成本。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本高。在此基礎(chǔ)上，上海大學(xué)特種電機(jī)研究室又設(shè)計(jì)了一種特殊的定子鐵心固定方式，進(jìn)一步提高了E形定子鐵心的機(jī)械強(qiáng)度[22]。 圖1-7 E形聚磁式橫向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 Z

43、氏橫向磁通永磁電機(jī)（Z—TFM）[25] 圖1-8 兩相Z氏橫向磁通電機(jī)徑向剖面圖 如圖1-8所示，對(duì)表面式橫向磁通電機(jī)來(lái)說(shuō)，其主要缺陷是雖然轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)多，但在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中只有一半轉(zhuǎn)子磁鋼投入工作，漏磁嚴(yán)重，造成此類電機(jī)功率因數(shù)很低，一般在0.35～0.55之間，因此要提高功率因數(shù)，需打破常規(guī)設(shè)計(jì)思路，圖1-8介紹了以其發(fā)明者Svante von Zweygbergk教授命名的Zweygbergk橫向磁通電機(jī)（Z-TFM）拓?fù)洹? Z-TFM的最大特點(diǎn)是電機(jī)運(yùn)行時(shí)，所有轉(zhuǎn)子磁鋼均處于有效工作狀態(tài)，如圖1-9所示，與表面式橫向磁通電機(jī)相比，Z-TFM充分利用了轉(zhuǎn)子磁鋼，使電機(jī)磁路更加

44、緊湊，顯著降低了漏磁及繞組的邊緣效應(yīng)，提高了功率因數(shù)，改善了電機(jī)性能。當(dāng)然，Z-TFM并未得到廣泛應(yīng)用，主要還存在一些有待改進(jìn)的地方，譬如為減小氣隙磁阻，希望轉(zhuǎn)子磁鋼高度較小;受定子磁極尺寸約束，轉(zhuǎn)子磁極寬度不能大。所有這些因素均導(dǎo)致氣隙磁密較低，影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力，從而失去了橫向磁通電機(jī)大輸出轉(zhuǎn)矩的優(yōu)越性。 （a）表面式橫向磁通電機(jī) （b）Z式橫向磁通電機(jī) 圖1-9 兩類橫向磁通電機(jī)磁極布局比較 開(kāi)關(guān)磁阻式橫向磁通電機(jī)(Transverse flux switched reluctance motor --TFSRM)[23] 根據(jù)磁通總是力圖沿著磁導(dǎo)

45、最大的路徑閉合的原理，因此開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱SRM）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)磁導(dǎo)要有盡可能大的變化。當(dāng)定子極中心線和轉(zhuǎn)子極中心線對(duì)齊時(shí)，磁導(dǎo)最大，磁通也最多;當(dāng)定子槽中心線和轉(zhuǎn)子極中心線對(duì)齊時(shí)，磁導(dǎo)最小，磁通也最少。 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，轉(zhuǎn)子不需要散熱，能在極高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。依靠電樞電流產(chǎn)生主磁場(chǎng)，由于沒(méi)有永久磁鐵，成本相對(duì)較低。但與同體積的其它種類電機(jī)相比，存在轉(zhuǎn)矩密度低、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與噪聲較大的不足。雖然增加極數(shù)在可以很大程度上解決以上問(wèn)題，但為了給繞組留出足夠的空間，SRM的極數(shù)增加幅度有限。開(kāi)關(guān)磁阻式TFM的磁路與電路解耦，其特殊的磁路結(jié)構(gòu)允許每相設(shè)計(jì)成更多的極數(shù)，從而極大地

46、提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。 開(kāi)關(guān)磁阻式TFM的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1-10，其定子鐵心由凹字形沖片疊壓成一個(gè)極，若干個(gè)定子極沿圓周360°排列，極間等距，每個(gè)極由兩個(gè)齒極與一個(gè)齒軛構(gòu)成，相鄰兩個(gè)極中心線之間距離為360°電角度。每相一個(gè)電樞繞組，為環(huán)形集中線圈形式嵌放在定子鐵心的凹槽中。轉(zhuǎn)子鐵心由凸形沖片疊壓成一個(gè)個(gè)極，若干個(gè)轉(zhuǎn)子極沿圓周排列，轉(zhuǎn)子極數(shù)與定子極數(shù)相同。一組周向排列的定子極與一組周向排列的轉(zhuǎn)子極以及一個(gè)環(huán)形集中線圈構(gòu)成一相。 圖1-10 開(kāi)關(guān)磁組式橫向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 當(dāng)環(huán)形繞組有電流時(shí)，將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)使轉(zhuǎn)子向磁導(dǎo)最大位置轉(zhuǎn)動(dòng)，然后停在定轉(zhuǎn)子齒極中心對(duì)齊的位置，為使電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，

47、開(kāi)關(guān)磁阻式TFM一般為三相或三相以上，對(duì)于三相電機(jī)每相定子極周向錯(cuò)開(kāi)120°電角度，同時(shí)轉(zhuǎn)子極在周向無(wú)相角差，或者每相轉(zhuǎn)子極周向錯(cuò)開(kāi)120°電角度，而定子極在周向無(wú)相角差。與通常的SRM一樣，開(kāi)關(guān)磁阻式TFM的轉(zhuǎn)矩與電樞電流方向無(wú)關(guān)，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)取決于通電相序。 開(kāi)關(guān)磁阻式TFM相與相之間不存在空間安放的矛盾關(guān)系，這就能使電機(jī)相數(shù)的選擇更加靈活。當(dāng)考慮轉(zhuǎn)矩性能指標(biāo)時(shí)，可以將相數(shù)設(shè)計(jì)得比較多，既能提高轉(zhuǎn)矩密度又能進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但所需開(kāi)關(guān)管相應(yīng)增多，功率變換器的成本將加大，一般來(lái)說(shuō)多選擇三相或四相。 綜上所述，以上結(jié)構(gòu)的TFM有如下共同特點(diǎn)： 1) 磁路有軸向、徑向和周向。 2) 具

48、有較高的轉(zhuǎn)矩密度。 3) 特殊的幾何結(jié)構(gòu)使得電機(jī)的設(shè)計(jì)更加靈活，極數(shù)和相數(shù)的選擇受限制性小。在傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)中，電負(fù)荷與磁負(fù)荷的所占空間取決于氣隙直徑的大小，兩者往往是一對(duì)矛盾關(guān)系。而在TFM中，磁負(fù)荷所占空間取決于氣隙直徑的大小，電負(fù)荷所占空間的大小取決于電動(dòng)機(jī)的軸向長(zhǎng)度，兩者相互獨(dú)立，這為設(shè)計(jì)高功率密度電機(jī)提供了優(yōu)越條件。 5) 許多設(shè)計(jì)參數(shù)彼此相互獨(dú)立，如電樞電流與磁路解藕，參數(shù)選擇的自由度大。 5) 繞組沒(méi)有端部，無(wú)端部損耗，電機(jī)的結(jié)構(gòu)更緊湊。 1.3 橫向磁通電機(jī)電磁參數(shù)分析方法 由于各種TFM結(jié)構(gòu)具有不同的特點(diǎn)，其電磁參數(shù)的分析方法也不相同。根據(jù)所查閱的各類文獻(xiàn)，可以將目前

49、國(guó)內(nèi)外研究者所采取的分析方法歸納為如下幾種磁路法、等效磁網(wǎng)絡(luò)法、有限元法。文獻(xiàn)[10]中用磁路的方法對(duì)橫向磁通永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了分析，將電機(jī)磁路等效為集中參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，主磁路由永磁磁動(dòng)勢(shì)源、永磁體磁阻、氣隙磁阻、定子齒磁阻、定子軛磁阻、轉(zhuǎn)子磁阻、極間漏磁阻等部分構(gòu)成。這種方法也是電機(jī)分析的一般方法，它有助于理解電機(jī)的工作原理和物理概念。 由于TFM結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種漏磁較多，因此TFM等效磁路模型也比普通RFM模型復(fù)雜得多。再加上很多參數(shù)難以確定，因此這種方法比較適合于對(duì)電機(jī)進(jìn)行定性分析，而若要準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)參數(shù)則比較困難。 文獻(xiàn)[2][21]中介紹了一種三維等效磁網(wǎng)絡(luò)法（Equivalen

50、t Magnetic Network Method— EMNM），其主要原理是將電機(jī)的計(jì)算區(qū)域劃分成一個(gè)個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元后，對(duì)各單元磁導(dǎo)進(jìn)行計(jì)算。各單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)相連接，得到磁網(wǎng)絡(luò)。其中把TFM電流區(qū)域等效為永磁磁動(dòng)勢(shì)源，等效關(guān)系如下： （1-5） 其中，為安匝數(shù)，為等效永磁體的矯頑力，為磁化長(zhǎng)度方向。這樣在求解區(qū)域就不存在矢量磁位，而直接求各節(jié)點(diǎn)標(biāo)量磁位即可。這種方法實(shí)際上是一種分布散參數(shù)的磁路法，將整個(gè)計(jì)算區(qū)域離散為一個(gè)個(gè)磁路網(wǎng)格，聯(lián)合每個(gè)網(wǎng)格的方程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，相當(dāng)于用場(chǎng)的方法進(jìn)行路的計(jì)算。由于采用標(biāo)量磁位，使得方程個(gè)數(shù)比矢量磁位減少，計(jì)算速度快

51、，節(jié)約計(jì)算成本。 為了獲得準(zhǔn)確的結(jié)果,利用有限元分析法可以建立了三維物理模型。Anysoft軟件是用有限元分析法解決三維靜電、三維靜止磁場(chǎng)、渦流等問(wèn)題。利用它可以對(duì)以下一些對(duì)象進(jìn)行仿真：由直流電、外部靜止磁場(chǎng)及永磁體引起的靜止磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)矩及電感，由交流電、振蕩的外部磁場(chǎng)及電源、永磁體產(chǎn)生的瞬時(shí)磁場(chǎng)引起的時(shí)變磁場(chǎng)、磁力、轉(zhuǎn)矩及阻抗。 采用有限元法可以方便地對(duì)電機(jī)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行有限元剖分，并且通過(guò)增加剖分精度可以精確地計(jì)算電機(jī)磁場(chǎng)參數(shù)。在分析徑向磁通電機(jī)磁場(chǎng)時(shí)，往往可以忽略端部效應(yīng)，因此采用二維方法即可。在分析TFM時(shí)，如果忽略端部效應(yīng)，也可以對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，用二維磁場(chǎng)進(jìn)行初步分析。文獻(xiàn)[8]

52、[15][35]等文獻(xiàn)中都有采用二維有限元法對(duì)TFM磁場(chǎng)進(jìn)行分析，分別對(duì)應(yīng)用二維、三維兩種方法所計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，比較后發(fā)現(xiàn)三維結(jié)果比二維結(jié)果要更準(zhǔn)確。例如，文獻(xiàn)[35]對(duì)一臺(tái)帶永磁屏蔽的TFM進(jìn)行分析，圖1-11（a）為二維模型所得的磁力線分布效果，圖1-11（b）為二維、三維計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。 （a） 簡(jiǎn)化二維結(jié)構(gòu)磁力線分布 (b) 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較 圖1-11 簡(jiǎn)化二維磁場(chǎng)分析結(jié)果與比較 從對(duì)比情況可以看出，三維分析結(jié)果更接近試驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明采用二維方法時(shí)，盡管參數(shù)關(guān)系的趨勢(shì)是一致的，但是由于忽略了端部效應(yīng)，導(dǎo)致

53、計(jì)算結(jié)果精度不高，因此作為定性分析是可以的，定量分析還是有較大的誤差。 從以上分析看出，由于TFM電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，端部效應(yīng)比較明顯，如果忽略會(huì)帶來(lái)較大誤差，因此磁場(chǎng)分析時(shí)多采用三維有限元法，這也是分析具有復(fù)雜磁路的其他電機(jī)的常用方法。除了前面介紹的文獻(xiàn)外，文獻(xiàn)[16]等也都應(yīng)用三維有限元法進(jìn)行TFM磁場(chǎng)分析，指出三維計(jì)算盡管相對(duì)準(zhǔn)確，但是非常耗時(shí)。耗時(shí)的原因一方面是因?yàn)槿S剖分產(chǎn)生的單元數(shù)目比二維情況下大大增多，另一方面如果在磁場(chǎng)分析時(shí)采用矢量磁位A,那么由于在空間具有三個(gè)分量Ax,, Ay, Az,使得求解方程未知數(shù)個(gè)數(shù)是標(biāo)量磁位的三倍，因而占用大量計(jì)算機(jī)資源，非常耗時(shí)。因此，為了減少計(jì)算量

54、，節(jié)約時(shí)間，文獻(xiàn)[21]提出將電機(jī)模型進(jìn)行分區(qū)處理，將整個(gè)求解區(qū)域分為電流區(qū)域和非電流區(qū)域兩部分，在不同區(qū)域采用不同磁位，電流區(qū)域采用矢量磁位，而非電流區(qū)域采用標(biāo)量磁位，這樣可以盡可能減少求解的未知數(shù)個(gè)數(shù)。不僅如此，還要根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分利用周期性邊界條件以及對(duì)稱條件，從而盡可能地減小求解區(qū)域,文獻(xiàn)[17]采用分區(qū)處理的方法可以在一定程度上減少計(jì)算量，加快磁場(chǎng)計(jì)算和分析的速度。但是由于兩種方法混合使用，增加了分析過(guò)程的復(fù)雜程度，而且由于仍然存在矢量磁位，沒(méi)有完全解決計(jì)算量大的問(wèn)題。為了徹底解決上述問(wèn)題，人們做了進(jìn)一步的研究工作，提出將電流區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)處理后，在整個(gè)計(jì)算區(qū)域全部采用標(biāo)量磁位進(jìn)

55、行求解。由于傳統(tǒng)電磁理論認(rèn)為對(duì)電流區(qū)域只能采用矢量磁位求解，對(duì)電流區(qū)域采用標(biāo)量磁位求解的方法直到19世紀(jì)70年代末才被人們接受。從查到的文獻(xiàn)來(lái)看，對(duì)具有電流區(qū)域的磁場(chǎng)求解多采用如下方法進(jìn)行處理： 在電流區(qū)域內(nèi)假設(shè)： 在其它區(qū)域內(nèi)假設(shè)： 其中H為區(qū)域內(nèi)實(shí)際磁場(chǎng)強(qiáng)度，選擇為滿足，為電流密度，于是可以定義，這樣就引入了標(biāo)量磁位，成為求解區(qū)域的唯一未知量，計(jì)算量問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。不過(guò)，從目前查到的文獻(xiàn)來(lái)看，還沒(méi)有對(duì)該方法在不同坐標(biāo)系下對(duì)不同形狀電流區(qū)域的處理方法做出具體、系統(tǒng)分析和推導(dǎo)，尤其如何將該方法根據(jù)TFM特點(diǎn)建立有限元模型并進(jìn)行磁場(chǎng)分析，還有待于進(jìn)一步研究。 1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容

56、橫向磁通電機(jī)設(shè)計(jì)自由度大，各相之間實(shí)現(xiàn)了電磁和結(jié)構(gòu)的雙重解耦，可以獨(dú)立分析與控制，具有轉(zhuǎn)矩密度高、模塊化結(jié)構(gòu)好、低速性能好等特點(diǎn)，并已被研制出很多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是從Weh教授首次提出橫向磁通電機(jī)的概念到現(xiàn)在己有很長(zhǎng)時(shí)間，TFM仍然未被大規(guī)模應(yīng)用，其中一個(gè)主要原因就是該種電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、磁路分析較困難，與傳統(tǒng)電機(jī)相比，不具備性能價(jià)格比方面的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，如何在提高性能的同時(shí)降低TFM結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，減少加工成本成為人們研究的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。為此，本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有橫向磁通電機(jī)主要研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)化、成本較低的橫向磁通雙凸極永磁電機(jī)（TFDSPM）作為研究對(duì)象，并圍繞該電機(jī)相

57、關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了一系列的研究工作。本文除緒論部分對(duì)TFM原理及其國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、主要研究問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)和概述外，其余各章研究?jī)?nèi)容分別安排如下： 第二章建立了相TFDSPM電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在線性模式的基礎(chǔ)上對(duì)TFDSPM電機(jī)進(jìn)行理論分析，定性地分析電機(jī)的主要參數(shù)隨轉(zhuǎn)子位置角的變化規(guī)律，為研究與設(shè)計(jì)TFDSPM電機(jī)打下了基礎(chǔ)。并提出在電機(jī)定轉(zhuǎn)子齒極的側(cè)面貼裝永磁體可提升電磁轉(zhuǎn)矩，且不會(huì)影響電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式，保留了電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。 第三章主要對(duì)提出的TFDSPM電機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保留了橫向磁通電機(jī)的一些優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化了制造工藝，降低了加工成本，提出了TFDSPM電機(jī)主要尺寸的估算方法，根據(jù)

58、此方法，對(duì)樣機(jī)的主要尺寸進(jìn)行了初步的計(jì)算，為該類電機(jī)的設(shè)計(jì)工作打下了基礎(chǔ)。分析了電機(jī)的極數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響，對(duì)TFDSPM電機(jī)的位置檢測(cè)器，電樞繞組進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對(duì)于多相結(jié)構(gòu)的TFDSPM電機(jī)，通過(guò)相與相之間錯(cuò)開(kāi)一定角度的方法，可有效削弱定位轉(zhuǎn)矩。 TFDSPM電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)分布比較復(fù)雜，是同時(shí)具有徑向、周向和軸向磁通的典型三維磁場(chǎng)的電機(jī)，需用三維場(chǎng)來(lái)分析，為此本文在第四章介紹了一種三維磁場(chǎng)計(jì)算方法——三維等效磁網(wǎng)絡(luò)法，該方法將電流線圈及其所包含的空間等效為永磁體來(lái)處理，具有剖分簡(jiǎn)單、可視性好、精度高、后處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)三維磁網(wǎng)絡(luò)法編寫(xiě)的3DFE軟件對(duì)TFDSPM電機(jī)的磁場(chǎng)分布進(jìn)行了分析，

59、對(duì)電機(jī)的靜態(tài)特性進(jìn)行了分析與計(jì)算。 第五章在TFDSPM電機(jī)磁場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，研究了定、轉(zhuǎn)子鐵心厚度、氣隙長(zhǎng)度、永磁體的尺寸以及極距、電機(jī)極數(shù)等對(duì)電機(jī)性能的影響，提出了使電機(jī)獲得優(yōu)良輸出性能時(shí)它們的合理取值范圍，根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)電機(jī)局部結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本章對(duì)電機(jī)相繞組感應(yīng)電勢(shì)、定位轉(zhuǎn)矩及效率特性等進(jìn)行了計(jì)算和分析，最終根據(jù)計(jì)算和優(yōu)化的結(jié)果設(shè)計(jì)了樣機(jī)。對(duì)橫向磁通雙凸極永磁電機(jī)和橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（TFSRM電機(jī)）進(jìn)行了比較研究，得出了結(jié)論：在電機(jī)尺寸、電流相同的情況下，通過(guò)增加少量的永磁體，TFDSPM電機(jī)的轉(zhuǎn)矩高于TFSRM電機(jī)近一倍。最后對(duì)TFDSPM電機(jī)與SRM電機(jī)、傳統(tǒng)感應(yīng)電

60、機(jī)的主要參數(shù)進(jìn)行了比對(duì)，證明了TFDSPM電機(jī)具有較高的轉(zhuǎn)矩密度和有效材料利用率。 第六章對(duì)TFDSPM樣機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，選擇了單繞組雙開(kāi)關(guān)功率變換器作為樣機(jī)實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)功率變換電路的電流斬波方式進(jìn)行了分析和研究。對(duì)樣機(jī)的控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 第七章對(duì)TFDSPM電機(jī)和TFSRM電機(jī)進(jìn)行了有效仿真，并對(duì)兩種電機(jī)進(jìn)行了矩角特性實(shí)驗(yàn)和機(jī)械特性實(shí)驗(yàn)。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明TFDSPM電機(jī)具有較高的輸出轉(zhuǎn)矩，且電機(jī)永磁材料用料少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低等特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。 第二章 TFDSPM電機(jī)理論分析 和其它橫向磁通電機(jī)相比，TFDSPM電機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但電

61、機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)分布確十分復(fù)雜，繞組電流和磁通波形極不規(guī)則，給分析和計(jì)算帶來(lái)很大的難度。不過(guò)，TFDSPM電機(jī)內(nèi)部的電磁過(guò)程仍然建立在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、能量守恒定律等基本的電磁關(guān)系上，并由此可寫(xiě)出TFDSPM的基本平衡方程式。本章建立了TFDSPM電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在線性模式的基礎(chǔ)上，對(duì)TFDSPM電機(jī)進(jìn)行了理論分析，定性地分析了電機(jī)主要參數(shù)隨轉(zhuǎn)子位置角變化規(guī)律，為分析電機(jī)的性能打下了基礎(chǔ)。 2.1 TFDSPM電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 2.1.1 電機(jī)平衡方程式 對(duì)于相TFDSPM電機(jī)，由于各相結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)對(duì)稱，根據(jù)電路定律，可以寫(xiě)出電機(jī)第相的電壓平衡方程式：

62、 （2-1） 式中，——第相的端電流；——第相的繞組電流；——第相的繞組電阻；——第相的繞組磁鏈。 在TFDSPM電機(jī)中，由于各相之間彼此獨(dú)立，相間沒(méi)有電磁耦合，因此只有自感而沒(méi)有互感。繞組的磁鏈?zhǔn)怯衫@組電流建立磁鏈和永磁體產(chǎn)生的磁鏈共同建立的。 （2-2） 其中是轉(zhuǎn)子位置角和繞組電流的函數(shù)，是轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)，故可寫(xiě)為： （2-3） 如果忽略電阻壓降，并假設(shè)磁路為線性，則（2-3）式可寫(xiě)為： （2-

63、4） 式中，——電機(jī)角速度，；——由電流產(chǎn)生的磁鏈變化在繞組中引起的感應(yīng)電勢(shì)，稱為變壓器電勢(shì)；——由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，繞組交鏈的電流產(chǎn)生磁鏈的變化，產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)，稱為旋轉(zhuǎn)電勢(shì)；——由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與繞組交鏈的永磁體磁鏈變化，產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)，稱為永磁電勢(shì)。 進(jìn)一步考察TFDSPM電機(jī)的能量流，有： （2-5） 式（2-5）表明，輸入功率的一部分轉(zhuǎn)為磁場(chǎng)儲(chǔ)能增量，另一部分則輸出機(jī)械功率，可以說(shuō)，TFDSPM電機(jī)正是利用其不斷的能量存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換獲得高效、大功率性能。 2.1.2 轉(zhuǎn)矩平衡方程式 當(dāng)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與作用在電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不相等的轉(zhuǎn)速就會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生角加速度，根據(jù)力

64、學(xué)原理，可以寫(xiě)出： （2-6） 或： （2-7） 式中，——系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；——摩擦系數(shù)； ——負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 當(dāng)TFDSPM電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，，則 （2-8） 2.1.3 電磁轉(zhuǎn)矩方程式 電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為磁共能的函數(shù)： （2-9） 式中，——在電流作用下產(chǎn)生的磁共能，它是電流和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)；——在永磁體作用下產(chǎn)生的磁共能，它是轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。 綜上所述，對(duì)于相電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以表示為： （2-10） 由于電路、

65、磁路的非線性和開(kāi)關(guān)性，式（2-10）描述的TFDSPM電機(jī)的數(shù)學(xué)模型實(shí)際上很難計(jì)算，為了得到電機(jī)運(yùn)行特性一般的規(guī)律，通?？筛鶕?jù)具體運(yùn)行狀態(tài)和研究目的進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，利用線性模式有利于對(duì)TFDSPM電機(jī)的定性分析，了解其運(yùn)行的物理狀況、內(nèi)部各物理量的基本特點(diǎn)和相互關(guān)系。 2.2 TFDSPM電機(jī)的線性模式分析 在線性模式中作如下假設(shè)： 1） 忽略磁通邊緣效應(yīng)和磁路非線性，鐵心磁導(dǎo)率； 2） 忽略所有功率損耗； 3） 功率管開(kāi)關(guān)動(dòng)作瞬時(shí)完成； 4） 電機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。 根據(jù)TFDSPM電機(jī)存在永磁體勵(lì)磁和定子繞組勵(lì)磁并存的特點(diǎn)，為分析方便，在研究TFDSPM電機(jī)時(shí)，以定子繞組勵(lì)磁單獨(dú)作用

66、，永磁體單獨(dú)作用和兩者共同作用三種情況進(jìn)行分析。 2.2.1定子繞組勵(lì)磁單獨(dú)作用時(shí)TFDSPM電機(jī)性能分析 TFDSPM電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖1-10。電機(jī)正常運(yùn)行的磁場(chǎng)由電流和永磁體共同建立的，圖2-1表示了電機(jī)繞組電流方向及永磁體的極性。 （a）定轉(zhuǎn)子齒極軸向截面圖 （b）切向左齒極 （c）切向右齒極 圖2-1 定子繞組電流方向及永磁體的極性 圖2-2是轉(zhuǎn)子在0°，90°,180°三個(gè)典型位置時(shí)，定子繞組勵(lì)磁時(shí)，TFDSPM電機(jī)磁場(chǎng)分布示意圖（僅畫(huà)出電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的右齒極） 圖2-2 TFDSPM電機(jī)磁場(chǎng)分布 由圖2-2可知，在0°位置，磁路、磁阻最大，繞組磁鏈最小，隨著定、轉(zhuǎn)子齒極重疊面的增加，磁路磁阻逐漸減小，繞組磁鏈增大；在180°位置，磁路、磁阻最小，繞組磁鏈最大；在0°~180°區(qū)間，繞組磁鏈隨轉(zhuǎn)子位置角的增加而增大，同理可知，在180°~360°轉(zhuǎn)子區(qū)間，繞組磁鏈則隨轉(zhuǎn)子位置角的增大而減小。 2.2.2 相繞組電感 在線性模式的基礎(chǔ)下，繞組電感與轉(zhuǎn)子位置角的關(guān)系可如圖2-3所示。 圖2-3 繞組電感與轉(zhuǎn)子位置角