橫向磁場永磁電機的發展和研究現狀

華僑大學信息科學與工程學院 戴茵茵

重慶水利電力職業技術學院電氣工程系 楊 紅

1.引言

橫向磁場永磁電機（Transverse Flux Permanent Magnet Machine，簡稱TFPM）是由德國著名電機專家H.Weh教授率先于1986年提出的一種新型電機結構，與傳統電機相比，橫向磁場電機具有以下特點[1][2]：

（1）電機的每相都完全獨立，因此相與相之間沒有電磁耦合，可提高電機的容錯能力。

（2）電機磁路呈三維分布，磁路與電路（線圈部分）處于不同平面，定子尺寸和線圈尺寸相互獨立，從而使TFPM能夠同時獲得較大的定子齒橫截面和線圈橫截面，大大提高了電機的轉矩密度，其輸出大約是標準工業用異步電機的5～10倍。

（3）在保持轉速、電機主要尺寸、氣隙磁密等參數不變時，TFPM的功率與電機的極對數成正比，適用于低速、大轉矩場合。

近幾年來，隨著電動車、電力直接推進裝置和風力發電技術研究的深入，對高轉矩密度、低速直接驅動電機的要求更為迫切，于是橫向磁場永磁電機因其上述優點成為了新型電機的研究熱點之一。許多歐美經濟發達國家投入了大量的人力、物力和財力進行橫向磁場電機的理論和應用研究，豐富了橫向磁場永磁電機的拓撲結構，促進了橫向磁場電機的發展。本文較系統地介紹分析了當前橫向磁場永磁電機的主要拓撲結構，闡述了當前國內外橫向磁場電機的主要研究方向和方法，并對橫向磁場電機存在的問題也做了簡單介紹。

2.橫向磁場電機的拓撲結構形式

按照永磁體的有無及安裝方式來分，橫向磁場電機拓撲結構可以分為四類：平板式、聚磁式、無源轉子式和磁阻式[3]。

圖1 平板式橫向磁場電機

圖1為德國亞琛的G.Henneberger教授設計的外轉子平板式橫向磁場永磁電機。這種結構中，永磁體被均勻地平鋪于轉子表面，相鄰的永磁體被充磁成不同的極性，充磁方向一般為徑向，U形定子鐵心以兩倍極距均勻分布在圓周上，其兩個齒分別對應不同極性的永磁體。電機通電后，定子磁場通過轉子兩邊相對齊的鐵心閉合。平板式結構可以分為無導磁回路和有導磁回路兩種。無導磁回路結構簡單如圖1（a），但是永磁體利用率相對較低，一半的永磁體因沒有導磁回路而產生雜散磁通，從而削弱主磁通。有導磁回路通過帶輔助磁橋，可提高永磁體的利用率，但結構會較為復雜。圖1（b）就是加了I形導磁回路。I形導磁回路做成特殊的三角形狀，可利于減小定子磁軛和導磁回路中的雜散磁通。

Weh原型機就是一種典型的雙邊聚磁式橫向磁場永磁機，其一相結構如圖2所示。這種結構中，轉子一般由鐵磁材料和永磁體迭裝而成，相鄰永磁體極性相對形成一對極，一般采用周向磁化。定子同側U形鐵相互間距兩倍極距，內外齒錯開一個極距。當定子繞組通電時，定子鐵心磁場通過定子的一個齒，周向穿過轉子，到達另一個與之錯開一個極距的齒部，形成閉合回路。與平板式相比，聚磁式的氣隙磁密更高，性能參數更優，但電機結構也更復雜。

無源轉子式橫向磁場永磁電機最初是由加拿大Calgary大學B.EHasubek等人于1999年設計的。該設計是將聚磁式橫向磁場永磁電機轉子上的永磁體等效地轉移到定子上，同時將轉子鐵心傾斜一個極距。該結構由于永磁體被移動到了定子上，減輕了轉子振動對永磁體的影響，利于散熱，延長了永磁體的壽命；簡化了轉子結構，提高了可靠性和平衡性，但是該電機也存在永磁體用量大的缺點。

磁阻式結構是去掉了永磁體，僅在定子繞組中通入電流，通過磁阻轉矩使電機運動。該電機具有結構簡單、成本低等優點，但同時存在轉矩密度低的缺點，其拓撲結構如圖3所示。

3.橫向磁場永磁電機的研究現狀

橫向磁場永磁電機作為電力推進機的一個重要的研究方向，在國內外得到了廣泛的研究，其研究方向主要集中在以下三個方面：結構優化設計，磁場計算分析和電機控制策略。

簡化磁路結構和制造工藝一直是橫向磁場永磁電機的研究熱點。國外在H.Weh原型機的基礎上，相繼研發出了很多平板式和聚磁式TFPM的拓撲結構，并針對電機結構的優缺點，對電機結構進行了許多改善。相比之下，國內對橫向磁場永磁電機的研究還處于起步階段。國內許多高校和科研機構也相應提出了自己的TFPM拓撲結構。如上海大學設計了E型鐵心聚磁式，沈陽工業大學設計的新型單邊、卷繞式定子鐵心、內置式聚磁轉子結構以及華中科技大學在德國G.Henneberger平板式TFPM結構基礎上改進設計出的一種外轉子結構TFPM等等。

電磁場的計算分析不僅可指導電機結構的設計，而且可直接應用于TFPM的性能分析。不同于傳統的電機已經形成了成熟的電機設計理論和技術，且橫向磁場永磁電機磁路呈三維分布，不同于傳統電機的二維場，因此需要對TFPM三維場建模進行分析。三維模型有限元計算要比二維模型數據量多很多，為了提高計算效率，在建模時，需要根據電機的結構特點，對求解模型進行合理的簡化。國內針對TFPM的磁場分析提出了很多方法，有磁路解析法、有限元法以及磁路解析法和有限元相結合的方法等。

橫向磁場永磁電機是一種各相繞組間相互獨立的永磁同步電機，因此可認為TFPM是由n個空間對稱分布，結構獨立的單相同步電機構成。由變頻器供電的永磁同步電動機加上轉子位置閉環控制系統構成的自同步永磁電機，既具有電勵磁直流電動機的優異調速性能，又實現了無刷化，若反電勢波形和供電電流波形都是矩形波的電動機，則為無刷直流電動機，所以橫向磁場永磁電動機的控制手段可以借鑒無刷直流電動機的控制系統。

圖2 Weh原型機一相結構簡圖

圖3 磁阻式結構

4.橫向磁場永磁電機存在的主要問題

橫向磁場永磁電機雖具有高轉矩密度和高效率等優點，但同時也存在以下缺點：結構和制造工藝復雜、漏磁嚴重、自定位轉矩大和功率因數低。對于結構和制造工藝復雜以及漏磁嚴重的問題需從對電機本體優化設計來進行改善。而自定位轉矩大和功率因素低既可通過電機本體的優化設計，也可以通過采取有效的控制手段調節達到。下面主要闡述自定位轉矩問題和功率因數低的問題。

4.1 自定位轉矩問題

TFPM的自定位轉矩是由轉子永磁體與定子齒槽相互作用而產生的，該力矩力圖使電機轉子定位于某一位置，其隨轉子空間位置的變化而呈周期性變化。自定位轉矩的變化頻率是電磁力矩基波的兩倍，采取多相結構既可以提高電機輸出轉矩，又可以造成部分自定位力矩的相互抵消。要最大限度地抑制自定位力矩，各相定轉子間相位必須有恰當的錯位設計[4]。在電動汽車、艦船推進及風力發電等對轉矩平穩性能要求較高的場合，自定位轉矩的有效抑制是提高橫向磁場電機驅動性能的關鍵之一。

4.2 功率因數低的問題

TFPM的高轉矩輸出優點伴隨著低的功率因數，雖然通過電磁優化設計可以提高功率因數，但其改善性能不佳[5]。橫向磁場電機的磁通量比一般為1.6-2.6之間，因此在使用無刷驅動方式時，其功率因數只有0.35-0.55，而傳統電機的功率因數接近1。功率因數低導致驅動TFPM的逆變器的臺數和容量大增，系統成本也就大增，從而限制了TFPM的應用范圍。

5.橫向磁場永磁電機的應用前景

綜上所述，橫向磁場電機因其多樣的結構形式和低速、大轉矩特性正得到越來越多的關注，其應用領域也日益擴展，從大功率的船用電力推進到小功率的電動車驅動，從直接驅動的電動機到直接驅動的橫向磁場風力發電機的研究，從旋轉型到直線型橫向磁場電機等等。目前國際上關于橫向磁場電機及其控制系統的研究雖然在電機模型建立、電機參數計算、分析方法以及控制策略等基礎理論方面取得了初步進展，但是對于其結構和制造工藝復雜、漏磁嚴重、自定位轉矩大和功率因數低等問題還有待于進一步解決。隨著研究的進一步深入，橫向磁場電機將會在電力推進、低速直接驅動、伺服傳動和風力發電等領域取得突破性的進展，因此橫向磁場電機的研究具有重要的理論價值和實用價值。

[1]H.Weh and H.May,Achievable Force Densities for Permanent Magnet Excited Machines in New Con fi gurations,Proceedings of the International Conference on Electrical Machines,1986.

[2]H Weh,H Hoffman and J Landrath,New Permanent Magnet Excited Synchronous Machine with High Ef fi ciency at Low Speeds,Proceedings of the International Conference on Electrical Machines,1988.

[3]江建中,李永斌,施進浩.橫向磁場永磁電機的研究與發展現狀[J].微特電機,2003(5):3-5.

[4]王建寬.橫向磁場永磁電機及其驅動系統研究[D].上海:上海大學,2007.

[5]M R Harris,G H Pajooman,S M Abu Sharkh.The Problem of Power Factor in VRPM Transverse Flux Machines.EMD of IEE,1997:386-390.