基于新型橫向磁通永磁電機(jī)研究

陸海軍

摘要：21世紀(jì)以來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展,科學(xué)技術(shù)日新月異,橫向磁通電機(jī)憑借其高轉(zhuǎn)矩密度獨(dú)的特優(yōu)勢(shì)取得了快速發(fā)展。但由于其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，導(dǎo)致在某些場(chǎng)合的應(yīng)用受到了限制。本文通過分析研究，合理選擇與確定電機(jī)重要參數(shù)、尺寸，從而獲得了科學(xué)的樣機(jī)電磁方案。本研究結(jié)果顯示：新型橫向磁通永磁電機(jī)工藝簡單、能夠有效適應(yīng)中、小功率低速情況下進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)。

關(guān)鍵詞：新型橫向磁通；永磁電機(jī)；分析研究

0前言

目前,我國在橫向磁通永磁電機(jī)領(lǐng)域的研究還處于起步階段。現(xiàn)存的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)工藝相對(duì)比較復(fù)雜，不利于橫向磁通永磁電機(jī)朝著小型化的方向發(fā)展。因此，當(dāng)前橫向磁通永磁電機(jī)大多在大功率低速驅(qū)動(dòng)的情況下使用。與此同時(shí)，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(jī)的廣泛應(yīng)用。本文將詳細(xì)介紹一種新型、工藝簡單且適合小功率低速進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)的橫向磁通永磁電機(jī)。

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(jīng)過另外一側(cè)的氣隙，最后達(dá)到永磁體的S極。與普通的永磁電機(jī)進(jìn)行比較、分析，新型橫向磁通永磁電機(jī)的凸出特征如下：第一，電樞線圈、定子齒槽成垂直關(guān)系。電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向、主磁路成垂直關(guān)系，有利于結(jié)構(gòu)解耦與轉(zhuǎn)矩密度高的順利實(shí)現(xiàn)；第二，相與相不存在耦合，有利于進(jìn)行單獨(dú)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(jī)結(jié)構(gòu)明顯簡化，磁體數(shù)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(jù)具體情況，隨意改變線圈窗口與磁路的尺寸。這些顯著優(yōu)點(diǎn)是新型橫向磁通永磁電機(jī)得以可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，也為新型橫向磁通永磁電機(jī)在低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩場(chǎng)合的應(yīng)用提供了有利條件。

2磁場(chǎng)簡介

常見永磁無刷式直流電機(jī)的極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)矩常數(shù)為正比例關(guān)系。橫向磁通永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)、極對(duì)數(shù)平方為正比例關(guān)系。主要原因?yàn)椋簷M向磁通永磁電機(jī)的各匝導(dǎo)線對(duì)電機(jī)各極都能夠產(chǎn)生影響，但是普通電機(jī)匝導(dǎo)線只能夠?qū)δ硞€(gè)特定的極產(chǎn)生作用。橫向磁通永磁電機(jī)中大多數(shù)極對(duì)數(shù)的制作比較簡單，再加上極對(duì)數(shù)平方與電磁功率為正比例的關(guān)系，能夠獲得足夠大的轉(zhuǎn)矩密度。由此可見，橫向磁通永磁電機(jī)極對(duì)數(shù)的增加，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度的提升具有至關(guān)重要的作用，應(yīng)當(dāng)把它當(dāng)做設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

3完善與優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1級(jí)數(shù)與匝數(shù)

新型橫向磁通永磁電機(jī)當(dāng)中，每對(duì)極轉(zhuǎn)子都對(duì)應(yīng)了一個(gè)釘子鐵心，這就為制造成為較多對(duì)極提供了便利。與此同時(shí)，即使極數(shù)發(fā)生變化，也不會(huì)對(duì)電樞導(dǎo)線的長度以及匝數(shù)帶來影響。

一方面，如果極對(duì)數(shù)增加，會(huì)導(dǎo)致磁體間距變小，引發(fā)漏磁現(xiàn)象加重。與此同時(shí)，極對(duì)數(shù)增加，還會(huì)引發(fā)電流周期出現(xiàn)變短的情況，以至于對(duì)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(duì)數(shù)增加會(huì)加大電樞電阻對(duì)電機(jī)效率造成的影響，增強(qiáng)了電樞電感，一定程度上影響了換流，從而導(dǎo)致電機(jī)的性能明顯減弱。

因此，在進(jìn)行新型橫向磁通永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須充分考慮多方面因素，并且妥善處理下面的兩點(diǎn)矛盾：①線圈匝數(shù)同電感增加、電阻加大的內(nèi)在聯(lián)系與主要矛盾；②極對(duì)數(shù)與影響換流、漏磁增加的內(nèi)在聯(lián)系與主要矛盾。

相關(guān)調(diào)查、研究顯示，小功率橫向磁通永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)立足于最大化利用永磁體這一出發(fā)點(diǎn)與落腳點(diǎn)，采取更多的極對(duì)數(shù)。通常情況下，10對(duì)為最佳，具體轉(zhuǎn)速則要根據(jù)具體要求來進(jìn)行確定。

3.2磁極間距、齒寬

一般情況下，橫向磁通永磁電機(jī)當(dāng)中的永磁體磁極的尺寸相對(duì)比較小。因此，合理、科學(xué)地確定永磁體的軸向長度與磁極間距對(duì)提升永磁體的利用效率與提高電機(jī)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(xù)攀升，而是在磁極間距大于永磁體軸向長度4mm的時(shí)候，出現(xiàn)了其最高值。而后，永磁體軸向長度減短，主磁通出現(xiàn)加速下降的趨勢(shì)。

這就是選擇、確定永磁體軸向長度、磁極間距的理論基礎(chǔ)與依據(jù)。但在具體實(shí)施過程中，若永磁體的軸向長度太短，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)電感增加，嚴(yán)重影響換向。與此同時(shí)，還增加了加工難度，顯著降低了機(jī)械的強(qiáng)度。因此，在具體設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)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(jī)極對(duì)數(shù)被確定的情況下，齒寬會(huì)對(duì)電機(jī)漏磁產(chǎn)生影響。一方面，若齒寬太小，會(huì)導(dǎo)致主磁極出現(xiàn)漏磁的現(xiàn)象；另一方面，若齒寬太大，將加重周邊磁極對(duì)主磁極產(chǎn)生的不利影響。由此可見，合理選擇并確定齒槽寬度對(duì)有效減少電機(jī)磁漏率、提升永磁利用效率具有至關(guān)重要的作用。

齒槽寬度值接近于永磁體寬度值的時(shí)候，主磁通出現(xiàn)峰值。其他尺寸磁極計(jì)算，結(jié)論與之相同。由此可見，在進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)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(zhì)量。

4結(jié)束語

綜上所述，傳統(tǒng)橫向磁通永磁電機(jī)受其復(fù)雜結(jié)構(gòu)的限制，多應(yīng)用于低速、直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的軍事、工業(yè)領(lǐng)域。新型橫向磁通永磁電機(jī)憑借其工藝簡單、低成本的顯著優(yōu)勢(shì)，將其涉足領(lǐng)域擴(kuò)延伸到了小功率領(lǐng)域，促進(jìn)小功率相關(guān)行業(yè)的健康、快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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