横向磁通永磁电机是相对于传统结构的径向磁通和轴向磁通电机而言，还没有统一、严格的定义。

电机作为一种机电能量转换装置,是电能的生产、输送、变换和应用中的核心设备,不仅在国民经济各行各业中发挥着重要作用,而且在人们日常生活中的应用也日益广泛。随着电动车、磁悬浮列车和舰船电力推动等大功率电气传动技术的发展,人们对低速、高转矩密度、直接驱动电机的要求日益迫切。

在传统的电机结构中,磁通经过的齿部和电枢绕组所在的槽占同一截面,磁力线所在平面平行于电机的旋转方向,槽的宽度与齿部宽度互相制约。如果需要流过较大的电流,就需要较大的线圈截面空间,齿的宽度就受到影响(饱和作用会使磁通减小);反之亦然。如果齿宽和槽宽同时增大,则会增大电机的半径,使电机的转矩密度降低。因此,输出转矩难以得到根本提高。横向磁通永磁电动机是由德国不伦瑞克(Brunswick)理工大学HerbertWeh教授和他的合作者在1986年提出的。

横向磁通永磁电动机采用独特的结构,具有较高的转矩密度。随着相关理论、方法、材料等相关技术的发展,横向磁通永磁电动机逐渐引起研究者的广泛关注。由于横向磁通永磁电动机具有较高的转矩密度,在许多低速大转矩应用领域受到关注,特别适用于车、船等运输工具的电力驱动方面。同时相对于传统结构电机,横向磁通永磁电动机既节约原材料,又节约能源,因此具有重要的研究意义。

我们可以通过简单结构电机主磁路中的闭合磁力线对两者进行描述。

图1为典型的聚磁结构横向磁通电机。它采用双边结构,永磁体均匀地分布在转子表面,相邻的永磁体极性相反,磁通在U形定子铁心内,磁力线所在平面垂直于电机的旋转方向。

当定子线圈通电时,U形定子元件中会产生径向和轴向磁场,通过定子元件的一个齿部到转子,再到另一个齿部,形成了磁力线回路。可以等效地把定子的两个齿部看成是两个不同的磁极,根据同性相斥、异性相吸的原理,定子磁场和转子永磁体产生的磁场相互作用,使转子转动。当转子每转过一个极距时,只要相应地改变线圈中的电流方向,就可以使转子连续运转。

横向磁通永磁电动机的每相绕组环绕所有U形定子铁心,定子齿槽结构和电枢线圈在空间上互相垂直,因而铁心尺寸和通电线圈的大小互相独立,在一定范围内可以任意选取,这是横向磁通永磁电动机的优势所在。由于定子各相之间没有耦合,便于设计为多相结构,具有良好的控制特性,同时由于横向磁通永磁电动机具有较高的转矩密度,在相同转矩下,它的体积和重量相对于传统结构电机较小。

横向磁通永磁电动机的特点是可以获得高的转矩密度,但同时也有较多问题有待进一步研究。横向磁通永磁电动机主要存在的两个问题成为横向磁通永磁电动机研究开发的难点和焦点。

一是结构复杂,工艺性差,不适于工业生产,阻碍了横向磁通永磁电动机的推广应用;

二是横向磁通永磁电动机功率因数普遍较低,造成驱动系统容量增大、成本增加。

横向磁通永磁电动机采用永磁体励磁,电机内部的电磁场分布较为复杂,给磁路计算带来了较大的困难,难以得到准确的磁路计算结果。由于横向磁通永磁电动机内部的磁力线呈三维分布,要保证设计计算的准确性,需要对电机进行三维电磁场的数值计算与分析。

应用最广泛的电机三维电磁场数值计算方法是有限元法(ANSYS)。ANSYS电磁场分析的基本原理是先将所处理的对象划分成有限单元(包括若干个节点),然后根据矢量磁势和标量电势求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的磁势或电势。通过电磁场的后处理,可以得到其它电磁场物理量,如磁力线分布、磁感应强度、磁链、电磁转矩、电感等。

ANSYS的主要分析过程如下:

(1)建立几何模型;

(2)对模型的各部分赋予特性;

(3)对求解区域用选定的单元进行网格剖分;

(4)施加边界条件和载荷;

(5)进行求解;

(6)后处理。

ANSYS电磁场分析的突出优点是:适用于具有复杂边界形状或边界条件;分析过程易于实现标准化,可得到通用的计算程序,且有较高的计算精度;能够求解非线性问题。

国内外对不同类型的横向磁通永磁电动机展开了研究工作,根据不同的目标和用途,已在不同研究方向取得了进展,并研制出各种类型的样机。

图2是劳斯莱斯公司研制的横向磁通电机结构示意图,由于C形铁心两端需要与不同极性磁极对应,因此必须扭斜一个极距。这种形状的铁心不能由硅钢片制成,只能由软铁经机械加工或由粉末软磁复合材料压制而成。这两种材料的磁性能都比硅钢片差,软铁的涡流损耗比较高,软磁复合材料的磁导率比较低。

英国南安普敦大学研制的电机是单边结构横向磁通永磁电动机,采用外转子结构。气隙外部不需要安装绕组的空间,在同样气隙面积情况下,电机外径和体积较小。定子内部液体冷却,散热好,便于选择较大的电磁负荷以获得大的转矩密度。定子线圈绕制简便,易于机械绕制。但外转子结构不易与被驱动机械进行联接,该设计用机械结构进行了转换,结构较为复杂。同时外转子圆筒与驱动轴同心度的加工精度要求高。

丹麦阿尔伯格大学研制的横向磁通永磁电动机采用E形铁心结构,共有6极,为已知的极数最少的横向磁通电动机,它更适合于转速相对较高的汽车等直接驱动场合。E形铁心结构的铁心由硅钢片叠制,采用了小线圈环绕每个磁极,制造简便。该样机由2.3kg叠片铁心和0.75kg铜组成,转速1000r/min时转矩大于4N#m,效率高于70%。

瑞典皇家技术学院研制了一种新型横向磁通永磁电动机。该样机结构将三相布置在同一圆周上,定子三相共用一个转子,每一相的定子磁路和绕组各占据120b的扇形区域,转子上的磁极没有采用聚磁式结构,适用于功率较小的场合。该电机结构易于加工,但其线圈安装工艺性较差。

此外,悉尼科技大学的科研人员对横向磁通永磁电动机进行了深入研究,并成功研制出多种样机。其特点是铁心采用软磁复合材料(SMC),铁心涡流损耗小,可以工作在较高频率的场合,电机转速较高。

我国对横向磁通永磁电动机的研究刚刚起步。在这种形势下,为了推动我国横向磁通永磁电动机的研发工作,使横向磁通永磁电动机尽快应用于各领域,促进国民经济的发展和技术进步,国家将横向磁通永磁电动机的研究列入了国家高技术研究发展计划。

上海大学研制的两相新型TFPM电机,该电机的定子采用了组合式定子结构形式,即定子铁心由外定子铁心、内定子铁心和定子过渡铁心三部分组合而成,其中内、外定子铁心与转轴平行放置,并且错开半个极距,过渡铁心呈环形与转轴垂直放置,与内、外两个定子铁心相连形成闭合磁路。转子由铁心冲片和永磁磁钢组合而成,采用双边聚磁结构。

在国家高技术研究发展计划的支持下,沈阳工业大学特种电机研究所对横向磁通永磁电动机进行了广泛的研究。沈阳工业大学开发的横向磁通永磁电动机采用定子单边结构、卷绕式定子铁心、内置式聚磁式转子结构,结构简单,易于制造。文献表明,该样机的功率因数达到了0.8,处于国际先进水平。

此外,清华大学、华中科技大学等科研单位也对横向磁通永磁电动机进行了相关的研究与探索。但就整体研究水平而言,我国在这方面的研究处于起步阶段,与国外的先进研究水平还有很大的差距。

横向磁通永磁电动机是矛盾的统一体,主要体现在制造工艺性与转矩密度及功率因数的矛盾。结构简单的电机性能指标较低,但较易制造;性能指标高的电机结构复杂,但加工工艺困难。不同结构的横向磁通电机都有各自的特点,并没有简单的优劣之分。要想提高横向磁通永磁电动机的性能,需要从电机结构、铁心材料、加工制造工艺三个方面去改进。因此,在现有的加工工艺水平下,应该主要从电机结构设计和铁心材料两个方面进行深入研究。

在结构方面,国内外的横向磁通永磁电动机,定子结构基本上都采用在圆周方向均匀分布的方式,每两个定子铁心之间存在较大的间隙,因而在一定程度上造成了空间浪费。可以考虑将定子做成一体的想法,同时通过计算选择合适的齿形与壁厚,进而使磁力线所通过的面积近似相等。采用这种思路,可以有效地减小电机的尺寸,但同时也增加了加工、制造、装配工艺上的困难。

在铁心材料方面,横向磁通电机的定子一般为软铁、硅钢片或者软磁复合材料(SMC),可以根据不同的应用场合选择相应的材料。由硅钢片叠压制成的定子铁心,制造简便、工艺性较好,要求定子形状规则且磁力线方向在同一平面内,但工作频率受限制,适用于低频电机;采用SMC软磁复合材料制成的定子铁心可以定向三维磁通,涡流损耗小,适用于高频电机,但饱和磁感应强度和最大磁导率较低。结合不同的应用场合,选用合适的材料才能最大程度上发挥材料的性能。