三种平板式横向磁场永磁电机的电磁场有限元分析对比与实验研究

　　TFPM( transverse flux permanent-magnetmotor)即横向磁通永磁电机,是上世纪80年代末才出现的一种新型电机系统[1],与目前占主流地位的径向磁通式永磁电机相比,其最突出的优点是转矩密度高,而且它控制灵活,低速特性好。

　　依据其磁路结构, TFPM分为平板式[2]、聚磁式[3~5]、无源转子式和磁阻式4种不同的结构形式。其中聚磁式结构气隙磁密较高,属于有源型结构,是TFPM的主要结构形式[5]。但其结构较复杂,而相比较而言,同样属于有源型结构的平板式TFPM的结构简单。所以,对于小功率TFPM,采用后者成本较低,从技术经济的角度来讲更为合理。因此,有必要研制更好的平板式结构小功率TFPM。这种电机系统将会满足电动汽车技术对小功率低速大转矩电机的迫切需求,因而有着广阔的应用前景[6]。

　　分析论述聚磁式结构及其改进形式的TFPM的文献较多[7~9],而有关于平板式结构TFPM的论述很少。笔者采用三维有限元方法对平板式TFPM的几种典型结构进行了建模和电磁力特性对比计算，分析了几种结构的推力特性,从中选出较为合理的结构,设计了相应的样机,并给出实验测试结果,验证了有限元分析的正确性。

　　1　平板式TFPM的3种拓扑结构

　　由于这类TFPM的转子永磁体是平铺于转子表面的,故称为平板式结构。由于TFPM各相之间相互独立,单相为圆心对称结构。为了便于分析,对单相平板式结构中的局部结构单元进行近似简化。假设电机的极数非常多,并且半径非常大,单相平板式结构的局部结构单元可近似看作电枢绕组为一组直导线,转子为沿着导线方向作直线运动的平板式动子。

　　3种典型平板式TFPM结构单元如图1所示。图1(a)为原始的平板式结构。集中绕组线圈被U型的定子铁心环绕,相邻两个U型铁心间隔2倍极距,U型定子铁心的开口处形成定子的一对极。永磁磁钢沿着转子表面排列成两行,相邻磁极被充磁成相反的极性,并且与一对极相对的磁极呈相反极性。此种结构有半数的永磁磁钢位于定子磁极之间,因此转子上的永磁磁钢没有得到充分利用。之后,人们改进了这种结构,在定子相邻两个U型铁心之间加入了I型辅助铁心,如图1(b)所示,有效提高了转子永磁磁钢的利用率。进一步的改进是将转子铁心的中间部分去除,如图1(c)所示。

　　图1(b)和图1(c)两种结构的磁通路径如图2所示,对于两个极距的结构单元,图1(b)结构的磁力线由两条独立的小回路组成,图1(c)结构则由一条复杂的大回路组成。

　　2　平板式TFPM电磁力特性分析

　　2·1　“力-位移”特性

　　静态特性是分析TFPM运行性能的基础,因而对平板式TFPM单相通电时的“力-位移”特性分析具有重要的意义。平板式TFPM单相通电时电动机的电磁力可根据机电能量转换原理,由磁共能对位移的变化率求出。为方便分析,将永磁磁钢看成是通电电流大小恒定为Im的绕组,并做出以下基本假设: