基于新型橫向磁通永磁電機研究

陸海軍

摘要：21世紀以來，社會經濟迅猛發展,科學技術日新月異,橫向磁通電機憑借其高轉矩密度獨的特優勢取得了快速發展。但由于其結構比較復雜，導致在某些場合的應用受到了限制。本文通過分析研究，合理選擇與確定電機重要參數、尺寸，從而獲得了科學的樣機電磁方案。本研究結果顯示：新型橫向磁通永磁電機工藝簡單、能夠有效適應中、小功率低速情況下進行直接驅動。

關鍵詞：新型橫向磁通；永磁電機；分析研究

0前言

目前,我國在橫向磁通永磁電機領域的研究還處于起步階段。現存的拓撲結構相關工藝相對比較復雜，不利于橫向磁通永磁電機朝著小型化的方向發展。因此，當前橫向磁通永磁電機大多在大功率低速驅動的情況下使用。與此同時，成本高、加工難等因素也在一定程度上制約了我國橫向磁通永磁電機的廣泛應用。本文將詳細介紹一種新型、工藝簡單且適合小功率低速進行直接驅動的橫向磁通永磁電機。

1基本工作原理概述

主要磁路：開始于永磁體的N極，途徑氣隙，通過定子鐵心，然后經過另外一側的氣隙，最后達到永磁體的S極。與普通的永磁電機進行比較、分析，新型橫向磁通永磁電機的凸出特征如下：第一，電樞線圈、定子齒槽成垂直關系。電機運動方向、主磁路成垂直關系，有利于結構解耦與轉矩密度高的順利實現；第二，相與相不存在耦合，有利于進行單獨控制、研究與分析；第三，繞制線圈采用同心的模式，減少了端部的損耗率，顯著提高了工作效率；第四，電機結構明顯簡化，磁體數量也明顯減少；第五，可以有效減短永磁體的軸向尺寸；第六，可以根據具體情況，隨意改變線圈窗口與磁路的尺寸。這些顯著優點是新型橫向磁通永磁電機得以可靠、穩定運行的基礎，也為新型橫向磁通永磁電機在低轉速、大轉矩場合的應用提供了有利條件。

2磁場簡介

常見永磁無刷式直流電機的極對數、轉矩常數為正比例關系。橫向磁通永磁電機的轉矩常數、極對數平方為正比例關系。主要原因為：橫向磁通永磁電機的各匝導線對電機各極都能夠產生影響，但是普通電機匝導線只能夠對某個特定的極產生作用。橫向磁通永磁電機中大多數極對數的制作比較簡單，再加上極對數平方與電磁功率為正比例的關系，能夠獲得足夠大的轉矩密度。由此可見，橫向磁通永磁電機極對數的增加，對電機轉矩密度的提升具有至關重要的作用，應當把它當做設計的重點。

3完善與優化設計

3.1級數與匝數

新型橫向磁通永磁電機當中，每對極轉子都對應了一個釘子鐵心，這就為制造成為較多對極提供了便利。與此同時，即使極數發生變化，也不會對電樞導線的長度以及匝數帶來影響。

一方面，如果極對數增加，會導致磁體間距變小，引發漏磁現象加重。與此同時，極對數增加，還會引發電流周期出現變短的情況，以至于對換流造成一定程度影響，減小了電樞的平均電流量；另一方面，若槽空間確定，極對數增加會加大電樞電阻對電機效率造成的影響，增強了電樞電感，一定程度上影響了換流，從而導致電機的性能明顯減弱。

因此，在進行新型橫向磁通永磁電機設計的時候，必須充分考慮多方面因素，并且妥善處理下面的兩點矛盾：①線圈匝數同電感增加、電阻加大的內在聯系與主要矛盾；②極對數與影響換流、漏磁增加的內在聯系與主要矛盾。

相關調查、研究顯示，小功率橫向磁通永磁電機的設計中，應當立足于最大化利用永磁體這一出發點與落腳點，采取更多的極對數。通常情況下，10對為最佳，具體轉速則要根據具體要求來進行確定。

3.2磁極間距、齒寬

一般情況下，橫向磁通永磁電機當中的永磁體磁極的尺寸相對比較小。因此，合理、科學地確定永磁體的軸向長度與磁極間距對提升永磁體的利用效率與提高電機性能具有十分重要的意義。

主磁通并不是簡單的隨著永磁體軸向長度的增長而持續攀升，而是在磁極間距大于永磁體軸向長度4mm的時候，出現了其最高值。而后，永磁體軸向長度減短，主磁通出現加速下降的趨勢。

這就是選擇、確定永磁體軸向長度、磁極間距的理論基礎與依據。但在具體實施過程中，若永磁體的軸向長度太短，會導致電機電感增加，嚴重影響換向。與此同時，還增加了加工難度，顯著降低了機械的強度。因此，在具體設計過程中，應當使永磁體軸向長度盡量與磁極間距相接近，但是永磁體的軸向長度值不能過小。

在永磁體的磁極間距、電機極對數被確定的情況下，齒寬會對電機漏磁產生影響。一方面，若齒寬太小，會導致主磁極出現漏磁的現象；另一方面，若齒寬太大，將加重周邊磁極對主磁極產生的不利影響。由此可見，合理選擇并確定齒槽寬度對有效減少電機磁漏率、提升永磁利用效率具有至關重要的作用。

齒槽寬度值接近于永磁體寬度值的時候，主磁通出現峰值。其他尺寸磁極計算，結論與之相同。由此可見，在進行分析、設計的時候，應當盡量保持齒槽的寬度同永磁體的寬度一致，從而最大化的提升永磁體的利用效率與質量。

4結束語

綜上所述，傳統橫向磁通永磁電機受其復雜結構的限制，多應用于低速、直接進行驅動的軍事、工業領域。新型橫向磁通永磁電機憑借其工藝簡單、低成本的顯著優勢，將其涉足領域擴延伸到了小功率領域，促進小功率相關行業的健康、快速發展。

參考文獻：

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