研究背景
電機作為一種機電能量轉換裝置,是電能的生產、輸送、變換和套用中的核心設備,不僅在國民經濟各行各業中發揮著重要作用,而且在人們日常生活中的套用也日益廣泛。隨著電動車、磁懸浮列車和艦船電力推動等大功率電氣傳動技術的發展,人們對低速、高轉矩密度、直接驅動電機的要求日益迫切。
在傳統的電機結構中,磁通經過的齒部和電樞繞組所在的槽占同一截面,磁力線所在平面平行於電機的旋轉方向,槽的寬度與齒部寬度互相制約。如果需要流過較大的電流,就需要較大的線圈截面空間,齒的寬度就受到影響(飽和作用會使磁通減小);反之亦然。如果齒寬和槽寬同時增大,則會增大電機的半徑,使電機的轉矩密度降低。因此,輸出轉矩難以得到根本提高。橫向磁通永磁電動機是由德國不倫瑞克(Brunswick)理工大學HerbertWeh教授和他的合作者在1986年提出的。
橫向磁通永磁電動機採用獨特的結構,具有較高的轉矩密度。隨著相關理論、方法、材料等相關技術的發展,橫向磁通永磁電動機逐漸引起研究者的廣泛關注。由於橫向磁通永磁電動機具有較高的轉矩密度,在許多低速大轉矩套用領域受到關注,特別適用於車、船等運輸工具的電力驅動方面。同時相對於傳統結構電機,橫向磁通永磁電動機既節約原材料,又節約能源,因此具有重要的研究意義。
工作原理
所謂橫向磁通永磁電動機是相對於傳統結構的徑向磁通和軸向磁通電機而言,目前還沒有統一、嚴格的定義。我們可以通過簡單結構電機主磁路中的閉合磁力線對兩者進行描述。
橫向磁通永磁電機圖1為典型的聚磁結構橫向磁通電機。它採用雙邊結構,永磁體均勻地分布在轉子表面,相鄰的永磁體極性相反,磁通在U形定子鐵心內,磁力線所在平面垂直於電機的旋轉方向。
當定子線圈通電時,U形定子元件中會產生徑向和軸向磁場,通過定子元件的一個齒部到轉子,再到另一個齒部,形成了磁力線迴路。可以等效地把定子的兩個齒部看成是兩個不同的磁極,根據同性相斥、異性相吸的原理,定子磁場和轉子永磁體產生的磁場相互作用,使轉子轉動。當轉子每轉過一個極距時,只要相應地改變線圈中的電流方向,就可以使轉子連續運轉。
橫向磁通永磁電動機的每相繞組環繞所有U形定子鐵心,定子齒槽結構和電樞線圈在空間上互相垂直,因而鐵心尺寸和通電線圈的大小互相獨立,在一定範圍內可以任意選取,這是橫向磁通永磁電動機的優勢所在。由於定子各相之間沒有耦合,便於設計為多相結構,具有良好的控制特性,同時由於橫向磁通永磁電動機具有較高的轉矩密度,在相同轉矩下,它的體積和重量相對於傳統結構電機較小。
特點
橫向磁通永磁電動機的特點是可以獲得高的轉矩密度,但同時也有較多問題有待進一步研究。目前,橫向磁通永磁電動機主要存在的兩個問題成為橫向磁通永磁電動機研究開發的難點和焦點。
一是結構複雜,工藝性差,不適於工業生產,阻礙了橫向磁通永磁電動機的推廣套用;
二是目前的橫向磁通永磁電動機功率因數普遍較低,造成驅動系統容量增大、成本增加。
電磁場分析方法
橫向磁通永磁電動機採用永磁體勵磁,電機內部的電磁場分布較為複雜,給磁路計算帶來了較大的困難,難以得到準確的磁路計算結果。由於橫向磁通永磁電動機內部的磁力線呈三維分布,要保證設計計算的準確性,需要對電機進行三維電磁場的數值計算與分析。
目前,套用最廣泛的電機三維電磁場數值計算方法是有限元法(ANSYS)。ANSYS電磁場分析的基本原理是先將所處理的對象劃分成有限單元(包括若干個節點),然後根據矢量磁勢和標量電勢求解一定邊界條件和初始條件下每一節點處的磁勢或電勢。通過電磁場的後處理,可以得到其它電磁場物理量,如磁力線分布、磁感應強度、磁鏈、電磁轉矩、電感等。
ANSYS的主要分析過程如下:
(1)建立幾何模型;
(2)對模型的各部分賦予特性;
(3)對求解區域用選定的單元進行格線剖分;
(4)施加邊界條件和載荷;
(5)進行求解;
(6)後處理。
ANSYS電磁場分析的突出優點是:適用於具有複雜邊界形狀或邊界條件;分析過程易於實現標準化,可得到通用的計算程式,且有較高的計算精度;能夠求解非線性問題。
國內外研究現狀
國內外對不同類型的橫向磁通永磁電動機展開了研究工作,根據不同的目標和用途,已在不同研究方向取得了進展,並研製出各種類型的樣機。
國外研究現狀
橫向磁通永磁電機圖2是勞斯萊斯公司研製的橫向磁通電機結構示意圖,由於C形鐵心兩端需要與不同極性磁極對應,因此必須扭斜一個極距。這種形狀的鐵心不能由矽鋼片製成,只能由軟鐵經機械加工或由粉末軟磁複合材料壓制而成。這兩種材料的磁性能都比矽鋼片差,軟鐵的渦流損耗比較高,軟磁複合材料的磁導率比較低。
英國南安普敦大學研製的電機是單邊結構橫向磁通永磁電動機,採用外轉子結構。氣隙外部不需要安裝繞組的空間,在同樣氣隙面積情況下,電機外徑和體積較小。定子內部液體冷卻,散熱好,便於選擇較大的電磁負荷以獲得大的轉矩密度。定子線圈繞制簡便,易於機械繞制。但外轉子結構不易與被驅動機械進行聯接,該設計用機械結構進行了轉換,結構較為複雜。同時外轉子圓筒與驅動軸同心度的加工精度要求高。
丹麥阿爾伯格大學研製的橫向磁通永磁電動機採用E形鐵心結構,共有6極,為目前已知的極數最少的橫向磁通電動機,它更適合於轉速相對較高的汽車等直接驅動場合。E形鐵心結構的鐵心由矽鋼片疊制,採用了小線圈環繞每個磁極,製造簡便。該樣機由2.3kg疊片鐵心和0.75kg銅組成,轉速1000r/min時轉矩大於4N#m,效率高於70%。
瑞典皇家技術學院研製了一種新型橫向磁通永磁電動機。該樣機結構將三相布置在同一圓周上,定子三相共用一個轉子,每一相的定子磁路和繞組各占據120b的扇形區域,轉子上的磁極沒有採用聚磁式結構,適用於功率較小的場合。該電機結構易於加工,但其線圈安裝工藝性較差。
此外,悉尼科技大學的科研人員對橫向磁通永磁電動機進行了深入研究,並成功研製出多種樣機。其特點是鐵心採用軟磁複合材料(SMC),鐵心渦流損耗小,可以工作在較高頻率的場合,電機轉速較高。
國內研究現狀
我國對橫向磁通永磁電動機的研究剛剛起步。在這種形勢下,為了推動我國橫向磁通永磁電動機的研發工作,使橫向磁通永磁電動機儘快套用於各領域,促進國民經濟的發展和技術進步,國家將橫向磁通永磁電動機的研究列入了國家高技術研究發展計畫。
上海大學研製的兩相新型TFPM電機,該電機的定子採用了組合式定子結構形式,即定子鐵心由外定子鐵心、內定子鐵心和定子過渡鐵心三部分組合而成,其中內、外定子鐵心與轉軸平行放置,並且錯開半個極距,過渡鐵心呈環形與轉軸垂直放置,與內、外兩個定子鐵心相連形成閉合磁路。轉子由鐵心沖片和永磁磁鋼組合而成,採用雙邊聚磁結構。
在國家高技術研究發展計畫的支持下,瀋陽工業大學特種電機研究所對橫向磁通永磁電動機進行了廣泛的研究。瀋陽工業大學開發的橫向磁通永磁電動機採用定子單邊結構、卷繞式定子鐵心、內置式聚磁式轉子結構,結構簡單,易於製造。文獻表明,該樣機的功率因數達到了0.8,處於國際先進水平。
此外,清華大學、華中科技大學等科研單位也對橫向磁通永磁電動機進行了相關的研究與探索。但就整體研究水平而言,我國在這方面的研究處於起步階段,與國外的先進研究水平還有很大的差距。
總結
橫向磁通永磁電動機是矛盾的統一體,主要體現在製造工藝性與轉矩密度及功率因數的矛盾。結構簡單的電機性能指標較低,但較易製造;性能指標高的電機結構複雜,但加工工藝困難。不同結構的橫向磁通電機都有各自的特點,並沒有簡單的優劣之分。要想提高橫向磁通永磁電動機的性能,需要從電機結構、鐵心材料、加工製造工藝三個方面去改進。因此,在現有的加工工藝水平下,應該主要從電機結構設計和鐵心材料兩個方面進行深入研究。
在結構方面,目前國內外的橫向磁通永磁電動機,定子結構基本上都採用在圓周方向均勻分布的方式,每兩個定子鐵心之間存在較大的間隙,因而在一定程度上造成了空間浪費。可以考慮將定子做成一體的想法,同時通過計算選擇合適的齒形與壁厚,進而使磁力線所通過的面積近似相等。採用這種思路,可以有效地減小電機的尺寸,但同時也增加了加工、製造、裝配工藝上的困難。
在鐵心材料方面,目前橫向磁通電機的定子一般為軟鐵、矽鋼片或者軟磁複合材料(SMC),可以根據不同的套用場合選擇相應的材料。由矽鋼片疊壓製成的定子鐵心,製造簡便、工藝性較好,要求定子形狀規則且磁力線方向在同一平面內,但工作頻率受限制,適用於低頻電機;採用SMC軟磁複合材料製成的定子鐵心可以定向三維磁通,渦流損耗小,適用於高頻電機,但飽和磁感應強度和最大磁導率較低。結合不同的套用場合,選用合適的材料才能最大程度上發揮材料的性能。
