橫向磁通雙凸極永磁電機的設計

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1、 分類號 密級 UDC 華中科技大學 博士學位論文 橫 向 磁 通 雙 凸 極 永 磁 電 機 的 設 計 與 分 析 學位申請人：瞿 遂 春 學 科專 業(yè)：電機與電器 指 導教 師：詹瓊華教授 論文答辯日期： 學位授予日期 答辯委員會主席 評閱人： 華中科技大學博士學位論文 Design and

2、 Analysis of Transverse Flux Doubly Salient Permanent Magnet Machine Ph.D.Candidate: Qu Suichun Major : Electrical Machine Supervisor : Prof. Zhan Qionghua Huazhang Universityof Science and Technology Wuhan,Hubei 530075,P.R.China July,2010 華中科技大學學位

3、論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 作者簽名： 日期： 年 月 日 華中科技大學論文版權使用授權書 本人了解華中科技大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留學位論文，允許學位論文被查閱和借閱；學校可以公布學位論文的全部或部分內容，可以采用復印、縮印或其他手段保存學位論文；學?？筛鶕?/p>

4、國家或省有關部門規(guī)定送交學位論文。 作者簽名： 導師簽名： 日期： 年 月 日 華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文 摘 要 由于橫向磁通電機（TFM）具有轉矩密度高、起動轉矩大、低速性能好以及設計靈活等特點，已成為研究開發(fā)的一個熱點。但是因為該類電機結構復雜，加工成本高、磁場分析難度大，從而限制了橫向磁通電機的廣泛應用。本文研究工作主要是圍繞一種新型結構的橫向磁通雙凸極永磁電機（TFDSPM）設計與研究展開的。 本文提出了一種新型結構的三相橫向磁通雙凸極永磁電機，對其進行了理論分析，定、轉子齒極由硅鋼片疊壓而成，定

5、子繞組為環(huán)形繞組。在定、轉子的齒極上貼裝永磁體，此結構大大降低了加工的難度和成本。各相之間依次錯開1200電角度，即可防止電機存在起動轉矩死點，又能有效削弱定位轉矩，減小電機輸出轉矩脈動。根據TFDSPM電機結構特點，建立了簡化到一對極結構的三維磁網絡模型，提出了TFDSPM電機主要尺寸的估算方法。 TFDSPM電機磁路復雜，利用二維磁場的分析結果不夠準確，需要用三維磁場進行分析。分析三維磁場的難點是計算時間和精度問題。本文中系統(tǒng)推導了應用標量磁位法對電流區(qū)域作為永磁體進行處理的一般方法，基于三維等效磁網絡法編制出三維有限元軟件，使用標量磁位法求解可以比矢量磁位法具有更少的未知數，可以減少計

6、算時間。 利用所編制的三維有限元軟件對TFDSPM樣機進行了磁場分析和參數計算，得到的結果作為TFDSPM電機性能分析和樣機制造的依據。利用磁場分析結果對樣機局部結構的尺寸進行優(yōu)化，研究內容主要包括：定、轉子鐵心厚度、永磁體尺寸、氣隙長度、極距以及電機極數等對電機性能的影響。分析結果表明，上述各參數的取值在合適的范圍之內時，可以獲得較優(yōu)的性能。另外對電機的靜態(tài)特性及其主要參數進行了仿真計算。最后設計了一臺TFDSPM樣機，并將該樣機的主要性能、參數與橫向磁通開關磁阻電機（TFSRM）及徑向磁通開關磁阻電機（SRM）作了比較研究，證明TFDSPM電機具有較高的轉矩密度和有效材料利用率，實驗結果

7、也驗證了理論的正確性。 本文對TFDSPM電機控制系統(tǒng)進行了數字仿真。首先闡述了TFDSPM電機的基本控制原理，建立了電機的數學模型，然后對樣機的輸出特性進行了仿真，仿真結果表明橫向磁通雙凸極永磁電機具有起動轉矩大，低速性能好的特點。最后，重點討論了不同的電流斬波方式對電機性能的影響，并得出了采用斬單管方式更有利提高電機的整體性能的結論。 關鍵詞：橫向磁通，雙凸極永磁電機，三維等效磁網絡法，靜態(tài)特性，電機尺寸優(yōu)化，DSP控制系統(tǒng)  ABSTRACT Transverse flux machine (TFM) has the advantages of high torque d

8、ensity, large starting torque and good low speed performance as well as designed flexibility. So TFM has attracted more attentions. But because of its complex structure and magnetic, high manufacture cost, the TFM's application is limited so far. This dissertation focuses on the design and research

9、on a novel transverse flux doubly salient permanent magnet machine (TFDSPM). A novel structured three phases TFDSPM is developed and analyzed in this dissertation. Its stator and rotor poles can be stacked by laminated silicon steel, its stator winding is a ring-shaped winding, permanent magnet a

10、re arranged on the teeth of stator and rotor poles, which can greatly reduce the manufacture difficulty and cost. There is an electric angle difference of 120o between each phase so that there does not exist dead point any longer in starting procedure and the cogging torque and torque ripple can als

11、o be reduced. The TFDSPM three-dimensional magnet-network model can be reduced to only one pair of pole because of its special structure. And the calculating method of the main dimensions is also developed. Because of the complexity of the TFDSPM field, it is not accurate enough to use 2D method to

12、 analyze it and then a 3D method is necessary.The key points are the calculation time and accuracy for 3D analysis. The scalar potential is adopted in this thesis, which has much fewer variants than the vector potential. So the calculating time can be greatly reduced. The general method to process t

13、he current area and magnet is deduced. A 3DFEM application software is programmed to analyze to TFDSPM field based on three-dimensional equivalent magnet-network method. With the help of the programmed software, the magnetic field of the TFDSPM prototype is analyzed and some parameters are calculat

14、ed. The acquired results are the basis of evaluate the machine performance and to guide manufacture. The impacts of the stator and rotor core thickness、 magnet thickness、air gas length、pole distance and pole mumble are researched. It is found that the machine can gain better performance if these val

15、ues are within a proper range .The static characteristics and other major parameters are also calculated. Meanwhile, the TFDSPM is compared with a TFSRM and a SRM which have higher torque density and better material usage ratio, the test results proves the correctness of the theory about TFDSPM.

16、The digital simulation about the TFDSPM control system is made in this dissertation .First of all, the basic control principle of the TFDSPM and the mathematic model are put forward. Secondly, the output characteristics of the prototype are simulated. The simulation results show that the TFDSPM has

17、the advantages of large starting torque and good low-speed performance. Furthermore, the impact of different current chopping modes is simulated. And it is found that the machine performance can be improved by chopping modes of single-switched. Keywords: Transverse Flux, Doubly Salient Permanent M

18、agnet Machine, Three-Dimensional Equivalent Magnet-Network Model, Static Characteristics, Machine Optimization, DSP Control System 目 錄 摘 要 I ABSTRACT III 目 錄 V 第一章 緒 論 1 1.1 課題研究的目的與意義 1 1.2橫向磁通電機的基本類型及特

19、點 2 1.2.1 橫向磁通電機的工作原理 2 1.2.2 橫向磁通電機的基本類型及特點 4 1.3 橫向磁通電機電磁參數分析方法 11 1.4 本文的主要研究內容 13 第二章 TFDSPM電機理論分析 15 2.1 TFDSPM電機的數學模型 15 2.2 TFDSPM電機的線性模式分析 17 2.3永磁體勵磁單獨作用時，TFDSPM電機性能分析 22 2.4定子繞組勵磁和永磁體的勵磁共同作用時，TFDSPM電機的性能分析 24 2.5控制方式 25 2.6本章小結 27 第三章 橫向磁通雙凸極永磁電機結構設計及主要尺寸確定 29 3.1 TFDSPM電機總體結構

20、設計 29 3.1.1 總體設計 29 3.1.2 轉子設計 33 3.1.3 位置檢測器的設計 34 3.1.4 電樞繞組工藝處理 35 3.1.5 電機冷卻 35 3.2 TFDSPM電機整體結構的特點 35 3.3 TFDSPM電機的主要尺寸確定 36 3.3.1 TFDSPM電機預設計 36 3.3.2 TFDSPM電機主要尺寸的確定 38 3.4 TFDSPM樣機結構參數 42 3.5 本章小結 43 第四章 TFDSPM電機的三維等效磁網絡法分析 44 4.1 概述 44 4.2 電機的三維磁網絡模型 45 4.3 三維等效磁網絡參數的計算 46 4

21、.3.1 電機電磁場的基本方程 46 4.3.2 磁網絡單元磁導的計算 47 4.3.3 永磁體的磁導、磁勢計算 48 4.3.4 電流源的等效磁動勢 50 4.4 網絡方程的建立 52 4.5 網絡單元內任意點的計算 53 4.6 基于三維等效磁網絡法的TFDSPM電機靜態(tài)特性分析 54 4.6.1 TFDSPM電機三維等效磁網絡模型建立及等效磁網絡剖分 55 4.6.2 定子繞組勵磁單獨作用時TFDSPM電機氣隙磁場分布 56 4.6.3 定子繞組勵磁單獨作用時TFDSPM電機相繞組電感分析 58 4.6.4 定子繞組勵磁單獨作用時TFDSPM電機電磁轉矩分析 59

22、4.6.5 TFDSPM電機氣隙磁場分布 59 4.6.6 TFDSPM電機電磁轉矩分析 61 4.7 本章小結 63 第五章 TFDSPM電機磁場分析與參數計算 65 5.1 TFDSPM定位轉矩分析及削弱方法研究 65 5.2 TFDSPM電機主要參數計算與分析 68 5.2.1 TFDSPM電機相繞組電勢的計算與分析 68 5.2.2 TFDSPM電機效率特性分析和計算 69 5.3 TFDSPM電機尺寸優(yōu)化設計及研究 71 5.3.1 極數對電磁轉矩的影響 71 5.3.2 極距對電磁轉矩的影響 72 5.3.3 定子鐵心厚度對電磁轉矩的影響 73 5.3.4

23、氣隙長度對電磁轉矩的影響 73 5.3.5 永磁體尺寸對電磁轉矩的影響 74 5.4 TFDSPM與TFSRM電機對比研究 75 5.4.1 TFDSPM電機與TFSRM電機相繞組磁鏈的對比研究 75 5.4.2 TFDSPM電機與TFSRM電機靜態(tài)轉矩特性對比分析 76 5.5 TFDSPM電機與TFSRM電機及感應電機性能對比分析 77 5.6 本章小結 78 第六章 TFDSPM電機控制系統(tǒng)設計及實現 79 6.1 功率變換器的選擇及研究 79 6.2 控制器設計與實現 86 6.2.1 DSP控制器 86 6.2.2 軟件設計 90 6.3 本章小結 93 第

24、七章 TFDSPM電機仿真及實驗研究 94 7.1 TFDSPM電機模型 94 7.2 功率變換器模型 95 7.3 其他控制器模型 96 7.4 TFDSPM電機系統(tǒng)仿真與結果分析 97 7.5 實驗內容 98 7.6 實驗裝置及實驗設備 98 7.7 TFSRM電機和TFDSPM電機矩角特性實驗 99 7.8 TFSRM電機和TFDSPM電機機械特性實驗 101 第八章 總結與展望 103 致 謝 105 參 考 文 獻 106 VIII 華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文

25、第一章 緒 論 本章主要介紹了課題研究的目的與意義，首先分析了橫向磁通電機（Transverse Flux Motor——TFM）的研究現狀與發(fā)展趨勢，對幾種主要的橫向磁通電機拓撲結構進行了比較，分析了它們的工作原理及特點，總結了橫向磁通電機電磁參數的分析方法，最后針對橫向磁通雙凸極永磁電機設計及計算中存在的若干問題，提出了本文的研究內容。 1.1 課題研究的目的與意義 自從十九世紀20年代發(fā)明第一臺電機以來，電機的發(fā)展己經有近二百年的歷史，它給人們的生活帶來了極大的方便和天翻地覆的變化，甚至可以說電機加速了人類歷史的進展。隨著社會生產力的發(fā)展，人民生活水平的提高，需要不斷地開發(fā)各種新型

26、電機?？茖W技術的進步、新技術、新材料的不斷涌現，也促進了電機產品的不斷推陳出新，在過去由于受材料特性、器件性能、計算手段等因素的影響，人們所設計的電機大多局限于一種傳統(tǒng)結構——徑向磁通結構，該種電機的磁場通?？捎枚S磁場來分析，這樣在分析時可以作較大簡化，降低了分析難度。近年來，隨著特殊應用場合的需要，以及新型材料（比如高性能永磁體）的出現、大功率電力電子器件的發(fā)明、計算機技術的快速發(fā)展，人們設計電機的理念也發(fā)生了轉變，使得設計出結構特殊、性能優(yōu)良的電機成為可能。上世紀八十年代末，德國電機專家H.Weh教授首創(chuàng)的一種新型電機即橫向磁通永磁電機（Transverse Flux Permanen

27、t Magnetic Motor—TFPM）更是給電機研究注入了新的活力[1]。與傳統(tǒng)電機的磁路結構不同，TFM的電樞繞組與主磁路在結構上完全解耦，因此可以根據需要調整磁路尺寸和線圈窗口來確定電機的電磁負荷，不存在傳統(tǒng)電機在增加氣隙磁通與繞組電流密度之間結構上的相互制約關系，從而獲得較高的轉矩密度，可以達到80kN/m3以上[2]。TFM除能提供比傳統(tǒng)電機大得多的轉矩密度之外，因轉子極數多、轉速低，所以可以取消齒輪傳動機構，消除由齒輪傳動引起的噪聲和機械損耗，提高整個裝置的精度和可靠性，延長系統(tǒng)使用壽命。另外，TFM的模塊化結構易于組成多相形式，缺相也能正常工作，提高了容錯能力，已在諸如風力發(fā)

28、電[6]、電動汽車[11]、破冰船、游輪以及潛艇[5]等領域得到應用。目前許多國家都在積極開展TFM的研究工作，并已取得階段性成果。德國于1988年率先完成55kWTFPM電機樣機后又在1999年將其作為今后電動車發(fā)展的優(yōu)化部件之一，列入KOFEH計劃加以研究;英美等國制定了21世紀高性能水面戰(zhàn)艦的新一代綜合全電力推進（Integrated Full Electric Propulsion—IFEP）系統(tǒng)以改進傳統(tǒng)推進系統(tǒng)笨重、龐大的缺陷。其中，作為驅動核心的TFM由于省略了齒輪裝置，可以靈活安置在船尾后部，這樣既縮短了推進軸，又節(jié)省電能損耗，提高艦船整體的工作效率和可靠性，顯示出重要的軍用價

29、值。根據IFEP發(fā)展計劃，在英國國防部的資助下，由英國Rolls-Royce國際研究發(fā)展中心（IRO）A.J.Mitcham等教授組成的課題組，于1998年開始了電力推進船用橫向磁通電機的研究，已成功研制3MW實驗用聚磁式橫向磁通永磁電機，并準備進一步研究制造20MW、180rpm艦船用推進電動機[7]；美國通用汽車公司Allison電氣傳動部于1999年開始研制30KW電動車用橫向磁通電機[15]。我國對此類電機的研究才剛剛起步[16]，為使我國橫向磁通電機的發(fā)展步入世界行列，我們應該在大量吸收國外設計經驗和研究成果的基礎上，研制、推廣具有自主知識產權的橫向磁通電機。應該看到，橫向磁通電機無

30、論在設計理念還是結構工藝等方面，都具有特殊性，它的進一步發(fā)展仍然面臨著許多挑戰(zhàn)。首先結構、工藝上的復雜性導致電機成本居高不下；其次電機功率因數較低，因此提高了驅動變換器的功率等級；另外轉子極數多，在增加轉速時將大幅度提高電機工作頻率，給系統(tǒng)帶來諸多不利后果[17]。 從目前檢索到的國內外文獻看，介紹TFM電機基本原理、拓撲結構的占絕大多數，關于其尺寸設計、加工工藝、通風發(fā)熱等方面的內容并不多見。而且由于設計經驗大多存在于部分設計人員頭腦中，如何總結這些設計經驗，進行電機優(yōu)化設計的深層次研究，建立準確規(guī)范的設計方法，進一步解決橫向磁通電機的主要性能缺陷是當前急待解決的重要問題。TFM的出現提出

31、了一種全新的理念，突破了傳統(tǒng)電機的設計思想，開辟了一個全新的領域。從已有的結論來看，橫向磁通電機已顯示了較好的前景，同時還有許多領域有待探索。所以，無論從學術或實際應用的角度對橫向磁通電機進行研究都有很大意義。 1.2橫向磁通電機的基本類型及特點 1.2.1 橫向磁通電機的工作原理 在講述TFM工作原理之前，首先對傳統(tǒng)電機（徑向磁通電機,簡稱為RFM）的電磁負荷關系進行簡單分析。圖1-1所示為徑向磁通電機橫切面局部示意圖。 圖1-1 徑向磁通電機齒槽結構示意圖 由電機學知識我們知道，電機產生的平均電磁力可表示為： （1-1）

32、 一個極下電機氣隙力密度為： （1-2） 其中，為電機氣隙磁密，為電機電負荷。由式1-2看出，可以通過兩條途徑增加力密度:一是增加氣隙磁密，二是增加電負荷值。但是，由圖1-1可以看出,電機齒部和線槽位于同一平面內，因此它們之間不是獨立的，其相互關系可以從下面公式看出來。 （1-3） （1-4） 其中，為齒部寬度，為一個齒節(jié)距，為齒部磁密，為電流密度，為槽面積。電流密度與齒部磁密分別

33、取決于電機的冷卻方式和鐵磁材料的飽和程度，只有通過增加齒寬和槽面積來提高轉矩密度。由此可以得出，在電樞內、外徑一定的情況下，若增加氣隙磁密，為保證電機齒部磁密不會增加而導致過飽和，勢必要增加，由于線槽和齒部在同一個平面內，增加就意味著減小線槽面積。在電流密度不變情況下，就必須減小電負荷，不能有效提高力密度。反之，若要通過增加電負荷值來增加，在保持不變的情況下，需增大槽面積，這樣做的結果是導致齒部寬度減小。此時若要繼續(xù)保證磁密不變，必需降低氣隙磁通密度，同樣也不能達到目的。由上述分析可以看出，由于電負荷和磁負荷存在競爭同一平面的矛盾，使得在增加力密度時受到限制[67]。 橫向磁通電機，通過巧妙

34、的結構設計，實現了電磁負荷的解耦，可以分別增大電負荷和磁負荷而不會相互制約，從而可以獲得較高力密度。 圖1-3(b)是Weh教授發(fā)明的TFM原型機局部結構簡圖。轉子采用聚磁式結構，沿周向相鄰的兩塊永磁體極性相反，每塊永磁體之間是轉子鐵心，對磁通起聚集的作用，沿軸向并排的永磁體極性也相反，在對應的鐵心中形成相反極性。為提高永磁材料的利用率，電機采用雙邊（雙定子）結構，內外定子沿周向錯開 一個極距，如圖1-3(b)所示，定子鐵心為U形結構，圖中箭頭所指方向是某位置時永磁體產生磁通的主磁路路徑:由轉子前端永磁體N極開始，到外定子U形鐵心前端磁極，經U形鐵心軛部到U形鐵心后端磁極，到轉子后端永磁體

35、S極，經過永磁體內部到N極，到內定子U形鐵心后端，經U形鐵心軛部到U形鐵心前端磁極，回到出發(fā)永磁體S極，經永磁體內部形成閉合回路。在U形鐵心凹槽內是環(huán)形線圈，由于線圈為環(huán)形集中繞組，所以結構簡單，制作起來也很方便。 當環(huán)形線圈中通過某一方向電流后，會在U形鐵心中產生磁場，鐵心兩端相當于兩個磁極。定子磁場和轉子磁場相互作用，產生轉矩，使得轉子沿某一方向旋轉。根據轉子位置傳感器的信號，在轉子每轉過一個極距（180°電角度）后改變電流方向，就會產生持續(xù)的轉矩，使得轉子沿某一固定方向不停地旋轉。 從以上分析可知，由于定子鐵心對磁場的導向作用，使得主磁路和載流線圈不競爭同一平面，這樣可以在解耦情況下增

36、加氣隙磁密或電負荷。同時，由于極與極之間為空氣，相當于增加了散熱面積。與傳統(tǒng)電機相比，橫向磁場電機可具有較高的氣隙磁密和電負荷，從而可以獲得較高的力密度。文獻[10]研究表明，橫向磁場電機輸出的力密度可達傳統(tǒng)電機的3～5倍之多。 1.2.2 橫向磁通電機的基本類型及特點 在Weh教授推出TFPM電機的近二十年間，許多電機學者對其復雜結構進行改進研究，并結合最新制造工藝，提出多種結構迥異的橫向磁通電機。按照永磁體的放置方式可分為表面式、聚磁式等，每種結構又包括單邊式和雙邊式兩種;按照永磁體的放置情況可分為有源轉子式（永磁體位于轉子）、無源轉子式（永磁體位于定子）及磁阻式（無永磁體）；按照轉

37、子的運動方向可分為直線式、旋轉式;按照定子鐵心形狀可分為U型、C型、E型及Z型等不同結構[67]。下面就其中幾種具有代表意義的TFM電機拓撲及其主要性能進行介紹. 單邊橫向磁通電機（Single-sided transverse flux machine-SSTFM）[18] 圖1-2是單邊橫向磁通電機結構簡圖，永磁體均勻分布在轉子表面，相鄰永磁體被充磁成不同極性。最初的SSTFM沒有磁橋設計，U形定子元件以兩倍極距呈圓周分布，其兩個齒部對應的永磁體極性相反。這種結構使一半永磁體沒有和定子元件形成回路，在沒有產生電磁轉矩的同時它所產生的漏磁通還會削弱定子中的主磁通。因此對早期SSTFM進

38、行改進，如圖1-2（a）所示的表面式結構中在那些沒有被利用的永磁體上放置由軟鐵材料制成的梯形磁橋，提供磁通并聯支路，減少漏磁。其缺點是磁橋使繞組空間縮小，導致定子磁動勢降低。圖1-2（b）是采用切向充磁的聚磁式結構，其轉子永磁體沿切向充磁，相鄰兩片永磁體極性相對，形成聚磁效果，這樣既增加了轉矩密度也提高了磁鋼利用率。 通常對SSTFM電機而言，多采用內定子（外轉子）結構，主要有以下優(yōu)點: （1）從加工工藝來看，內定子結構更易于繞組下線; （2）從電機性能來看，因轉子的徑向尺寸比定子小，外轉子結構使電機的氣隙處直徑與外徑比更大，這樣在電機體積相同的情況下，可以獲得更高的輸出轉矩，尤其在風力

39、發(fā)電領域得到青睞。 （a） (b) 1、定子 2、繞組 3、磁橋 5、轉子 圖1-2 單邊橫向磁通電機 雙邊橫向磁通電機（Double-sided transverse flux machine-DSTFM）[19] 圖1-3是雙邊橫向磁通電機結構簡圖。由于在轉子兩側同時安置定子元件，雙氣隙結構使DSTFM比SSTFM具有更大的輸出轉矩能力。但其有源轉子類似懸臂結構，較難固定，機械強度差。圖1-3（a）是帶磁橋的DSTFM，圖1-3（b）是省略了磁橋的聚磁式DSTFM，梯形磁橋的省略并不影響磁路。這樣不但減少了鐵心材料

40、的使用，而且還可以減輕電機重量，降低電機成本。 （a） (b) 1、定子 2、繞組 3、磁橋 4、轉子 圖1-3 雙邊橫向磁通電機 改進的雙邊聚磁式橫向磁通電機（Improved Double-sided flux transverse flux machine-IDSFCTFM）[20] 圖1-4 Weh氏雙邊聚磁式橫向磁通電機及其軸向磁通路徑圖 圖1-4是雙邊聚磁式橫向磁通電機結構簡圖。顧名思義，由于聚磁作用，這種電機能在氣隙產生較大磁密，在一定電流條件下可以提供較大的輸出轉矩。而采用徑向充磁的SSTFM和D

41、STFM轉子磁鋼沒有聚磁效果，因此轉矩密度相對較低，SSTFM的不足之處與DSTFM類似，即轉子機械強度差，加工工藝復雜。 圖1-5 改進的雙邊聚磁式橫向磁通電機周向及徑向結構圖 將DSFCTFM的兩個定子合成一個C形定子，得到圖1-5所示的IDSFCTFM結構。由于定子移到轉子外側，利于轉子固定。因有源轉子不再是懸臂結構，明顯提高了轉子機械強度。 C形橫向磁通永磁電機（C-TFM）[12] （a） 單相立體結構圖 （b）兩相軸向剖面圖 圖1-6 C形橫向磁通永磁電機 如圖1-6所示，為了節(jié)省鐵心用量，將IDSFCTFM定子逆時針旋轉90

42、°得到C形橫向磁通電機。C形定子鐵心采用硅鋼片卷繞，再用線切割加工成形，加工工藝十分復雜.若采用鐵粉心等軟磁材料，可以簡化制造工藝，降低電機成本。 E形鐵心橫向磁通永磁電機（E-TFM）[22] 如圖1-7所示，在C形定子鐵心的基礎上引入中間過渡鐵心形成E形定子鐵心結構。由干過渡鐵心相當于提供內外轉子之間磁通路徑的磁橋，其徑向尺寸相對較小，與文獻[12]結構相比，減小了電機體積，降低了材料成本。缺點是結構復雜，加工成本高。在此基礎上，上海大學特種電機研究室又設計了一種特殊的定子鐵心固定方式，進一步提高了E形定子鐵心的機械強度[22]。 圖1-7 E形聚磁式橫向磁通電機結構圖 Z

43、氏橫向磁通永磁電機（Z—TFM）[25] 圖1-8 兩相Z氏橫向磁通電機徑向剖面圖 如圖1-8所示，對表面式橫向磁通電機來說，其主要缺陷是雖然轉子極對數多，但在電機運行過程中只有一半轉子磁鋼投入工作，漏磁嚴重，造成此類電機功率因數很低，一般在0.35～0.55之間，因此要提高功率因數，需打破常規(guī)設計思路，圖1-8介紹了以其發(fā)明者Svante von Zweygbergk教授命名的Zweygbergk橫向磁通電機（Z-TFM）拓撲。 Z-TFM的最大特點是電機運行時，所有轉子磁鋼均處于有效工作狀態(tài)，如圖1-9所示，與表面式橫向磁通電機相比，Z-TFM充分利用了轉子磁鋼，使電機磁路更加

44、緊湊，顯著降低了漏磁及繞組的邊緣效應，提高了功率因數，改善了電機性能。當然，Z-TFM并未得到廣泛應用，主要還存在一些有待改進的地方，譬如為減小氣隙磁阻，希望轉子磁鋼高度較小;受定子磁極尺寸約束，轉子磁極寬度不能大。所有這些因素均導致氣隙磁密較低，影響電機轉矩輸出能力，從而失去了橫向磁通電機大輸出轉矩的優(yōu)越性。 （a）表面式橫向磁通電機 （b）Z式橫向磁通電機 圖1-9 兩類橫向磁通電機磁極布局比較 開關磁阻式橫向磁通電機(Transverse flux switched reluctance motor --TFSRM)[23] 根據磁通總是力圖沿著磁導

45、最大的路徑閉合的原理，因此開關磁阻電機（以下簡稱SRM）的結構設計原則是轉子旋轉時磁導要有盡可能大的變化。當定子極中心線和轉子極中心線對齊時，磁導最大，磁通也最多;當定子槽中心線和轉子極中心線對齊時，磁導最小，磁通也最少。 開關磁阻電機結構簡單牢固，轉子不需要散熱，能在極高的轉速下運行。依靠電樞電流產生主磁場，由于沒有永久磁鐵，成本相對較低。但與同體積的其它種類電機相比，存在轉矩密度低、轉矩脈動與噪聲較大的不足。雖然增加極數在可以很大程度上解決以上問題，但為了給繞組留出足夠的空間，SRM的極數增加幅度有限。開關磁阻式TFM的磁路與電路解耦，其特殊的磁路結構允許每相設計成更多的極數，從而極大地

46、提高了電機的轉矩密度。 開關磁阻式TFM的基本結構見圖1-10，其定子鐵心由凹字形沖片疊壓成一個極，若干個定子極沿圓周360°排列，極間等距，每個極由兩個齒極與一個齒軛構成，相鄰兩個極中心線之間距離為360°電角度。每相一個電樞繞組，為環(huán)形集中線圈形式嵌放在定子鐵心的凹槽中。轉子鐵心由凸形沖片疊壓成一個個極，若干個轉子極沿圓周排列，轉子極數與定子極數相同。一組周向排列的定子極與一組周向排列的轉子極以及一個環(huán)形集中線圈構成一相。 圖1-10 開關磁組式橫向磁通電機結構簡圖 當環(huán)形繞組有電流時，將產生電磁轉矩驅使轉子向磁導最大位置轉動，然后停在定轉子齒極中心對齊的位置，為使電機連續(xù)旋轉，

47、開關磁阻式TFM一般為三相或三相以上，對于三相電機每相定子極周向錯開120°電角度，同時轉子極在周向無相角差，或者每相轉子極周向錯開120°電角度，而定子極在周向無相角差。與通常的SRM一樣，開關磁阻式TFM的轉矩與電樞電流方向無關，電機的正反轉取決于通電相序。 開關磁阻式TFM相與相之間不存在空間安放的矛盾關系，這就能使電機相數的選擇更加靈活。當考慮轉矩性能指標時，可以將相數設計得比較多，既能提高轉矩密度又能進一步降低轉矩脈動，但所需開關管相應增多，功率變換器的成本將加大，一般來說多選擇三相或四相。 綜上所述，以上結構的TFM有如下共同特點： 1) 磁路有軸向、徑向和周向。 2) 具

48、有較高的轉矩密度。 3) 特殊的幾何結構使得電機的設計更加靈活，極數和相數的選擇受限制性小。在傳統(tǒng)的電動機中，電負荷與磁負荷的所占空間取決于氣隙直徑的大小，兩者往往是一對矛盾關系。而在TFM中，磁負荷所占空間取決于氣隙直徑的大小，電負荷所占空間的大小取決于電動機的軸向長度，兩者相互獨立，這為設計高功率密度電機提供了優(yōu)越條件。 5) 許多設計參數彼此相互獨立，如電樞電流與磁路解藕，參數選擇的自由度大。 5) 繞組沒有端部，無端部損耗，電機的結構更緊湊。 1.3 橫向磁通電機電磁參數分析方法 由于各種TFM結構具有不同的特點，其電磁參數的分析方法也不相同。根據所查閱的各類文獻，可以將目前

49、國內外研究者所采取的分析方法歸納為如下幾種磁路法、等效磁網絡法、有限元法。文獻[10]中用磁路的方法對橫向磁通永磁風力發(fā)電機進行了分析，將電機磁路等效為集中參數的數學模型，主磁路由永磁磁動勢源、永磁體磁阻、氣隙磁阻、定子齒磁阻、定子軛磁阻、轉子磁阻、極間漏磁阻等部分構成。這種方法也是電機分析的一般方法，它有助于理解電機的工作原理和物理概念。 由于TFM結構復雜，各種漏磁較多，因此TFM等效磁路模型也比普通RFM模型復雜得多。再加上很多參數難以確定，因此這種方法比較適合于對電機進行定性分析，而若要準確計算電機參數則比較困難。 文獻[2][21]中介紹了一種三維等效磁網絡法（Equivalen

50、t Magnetic Network Method— EMNM），其主要原理是將電機的計算區(qū)域劃分成一個個網絡單元后，對各單元磁導進行計算。各單元之間通過節(jié)點相連接，得到磁網絡。其中把TFM電流區(qū)域等效為永磁磁動勢源，等效關系如下： （1-5） 其中，為安匝數，為等效永磁體的矯頑力，為磁化長度方向。這樣在求解區(qū)域就不存在矢量磁位，而直接求各節(jié)點標量磁位即可。這種方法實際上是一種分布散參數的磁路法，將整個計算區(qū)域離散為一個個磁路網格，聯合每個網格的方程進行數值計算，相當于用場的方法進行路的計算。由于采用標量磁位，使得方程個數比矢量磁位減少，計算速度快

51、，節(jié)約計算成本。 為了獲得準確的結果,利用有限元分析法可以建立了三維物理模型。Anysoft軟件是用有限元分析法解決三維靜電、三維靜止磁場、渦流等問題。利用它可以對以下一些對象進行仿真：由直流電、外部靜止磁場及永磁體引起的靜止磁場、轉矩及電感，由交流電、振蕩的外部磁場及電源、永磁體產生的瞬時磁場引起的時變磁場、磁力、轉矩及阻抗。 采用有限元法可以方便地對電機計算區(qū)域進行有限元剖分，并且通過增加剖分精度可以精確地計算電機磁場參數。在分析徑向磁通電機磁場時，往往可以忽略端部效應，因此采用二維方法即可。在分析TFM時，如果忽略端部效應，也可以對電機模型進行簡化，用二維磁場進行初步分析。文獻[8]

52、[15][35]等文獻中都有采用二維有限元法對TFM磁場進行分析，分別對應用二維、三維兩種方法所計算的結果進行比較，比較后發(fā)現三維結果比二維結果要更準確。例如，文獻[35]對一臺帶永磁屏蔽的TFM進行分析，圖1-11（a）為二維模型所得的磁力線分布效果，圖1-11（b）為二維、三維計算結果及試驗結果對比。 （a） 簡化二維結構磁力線分布 (b) 計算結果與試驗結果的比較 圖1-11 簡化二維磁場分析結果與比較 從對比情況可以看出，三維分析結果更接近試驗結果，說明采用二維方法時，盡管參數關系的趨勢是一致的，但是由于忽略了端部效應，導致

53、計算結果精度不高，因此作為定性分析是可以的，定量分析還是有較大的誤差。 從以上分析看出，由于TFM電機結構復雜，端部效應比較明顯，如果忽略會帶來較大誤差，因此磁場分析時多采用三維有限元法，這也是分析具有復雜磁路的其他電機的常用方法。除了前面介紹的文獻外，文獻[16]等也都應用三維有限元法進行TFM磁場分析，指出三維計算盡管相對準確，但是非常耗時。耗時的原因一方面是因為三維剖分產生的單元數目比二維情況下大大增多，另一方面如果在磁場分析時采用矢量磁位A,那么由于在空間具有三個分量Ax,, Ay, Az,使得求解方程未知數個數是標量磁位的三倍，因而占用大量計算機資源，非常耗時。因此，為了減少計算量

54、，節(jié)約時間，文獻[21]提出將電機模型進行分區(qū)處理，將整個求解區(qū)域分為電流區(qū)域和非電流區(qū)域兩部分，在不同區(qū)域采用不同磁位，電流區(qū)域采用矢量磁位，而非電流區(qū)域采用標量磁位，這樣可以盡可能減少求解的未知數個數。不僅如此，還要根據電機結構特點，充分利用周期性邊界條件以及對稱條件，從而盡可能地減小求解區(qū)域,文獻[17]采用分區(qū)處理的方法可以在一定程度上減少計算量，加快磁場計算和分析的速度。但是由于兩種方法混合使用，增加了分析過程的復雜程度，而且由于仍然存在矢量磁位，沒有完全解決計算量大的問題。為了徹底解決上述問題，人們做了進一步的研究工作，提出將電流區(qū)域進行適當處理后，在整個計算區(qū)域全部采用標量磁位進

55、行求解。由于傳統(tǒng)電磁理論認為對電流區(qū)域只能采用矢量磁位求解，對電流區(qū)域采用標量磁位求解的方法直到19世紀70年代末才被人們接受。從查到的文獻來看，對具有電流區(qū)域的磁場求解多采用如下方法進行處理： 在電流區(qū)域內假設： 在其它區(qū)域內假設： 其中H為區(qū)域內實際磁場強度，選擇為滿足，為電流密度，于是可以定義，這樣就引入了標量磁位，成為求解區(qū)域的唯一未知量，計算量問題得到簡化。不過，從目前查到的文獻來看，還沒有對該方法在不同坐標系下對不同形狀電流區(qū)域的處理方法做出具體、系統(tǒng)分析和推導，尤其如何將該方法根據TFM特點建立有限元模型并進行磁場分析，還有待于進一步研究。 1.4 本文的主要研究內容

56、橫向磁通電機設計自由度大，各相之間實現了電磁和結構的雙重解耦，可以獨立分析與控制，具有轉矩密度高、模塊化結構好、低速性能好等特點，并已被研制出很多拓撲結構，但是從Weh教授首次提出橫向磁通電機的概念到現在己有很長時間，TFM仍然未被大規(guī)模應用，其中一個主要原因就是該種電機結構復雜、磁路分析較困難，與傳統(tǒng)電機相比，不具備性能價格比方面的競爭力。因此，如何在提高性能的同時降低TFM結構復雜程度，減少加工成本成為人們研究的一個重點和難點之一。為此，本文在總結國內外現有橫向磁通電機主要研究成果的基礎上，提出了一種結構相對簡化、成本較低的橫向磁通雙凸極永磁電機（TFDSPM）作為研究對象，并圍繞該電機相

57、關問題進行了一系列的研究工作。本文除緒論部分對TFM原理及其國內外研究現狀、主要研究問題進行了總結和概述外，其余各章研究內容分別安排如下： 第二章建立了相TFDSPM電機的數學模型，在線性模式的基礎上對TFDSPM電機進行理論分析，定性地分析電機的主要參數隨轉子位置角的變化規(guī)律，為研究與設計TFDSPM電機打下了基礎。并提出在電機定轉子齒極的側面貼裝永磁體可提升電磁轉矩，且不會影響電機的結構型式，保留了電機結構簡單的優(yōu)點。 第三章主要對提出的TFDSPM電機進行了結構設計，在保留了橫向磁通電機的一些優(yōu)點的基礎上，簡化了制造工藝，降低了加工成本，提出了TFDSPM電機主要尺寸的估算方法，根據

58、此方法，對樣機的主要尺寸進行了初步的計算，為該類電機的設計工作打下了基礎。分析了電機的極數對電機性能的影響，對TFDSPM電機的位置檢測器，電樞繞組進行了設計。對于多相結構的TFDSPM電機，通過相與相之間錯開一定角度的方法，可有效削弱定位轉矩。 TFDSPM電機內部的磁場分布比較復雜，是同時具有徑向、周向和軸向磁通的典型三維磁場的電機，需用三維場來分析，為此本文在第四章介紹了一種三維磁場計算方法——三維等效磁網絡法，該方法將電流線圈及其所包含的空間等效為永磁體來處理，具有剖分簡單、可視性好、精度高、后處理簡單等優(yōu)點。根據三維磁網絡法編寫的3DFE軟件對TFDSPM電機的磁場分布進行了分析，

59、對電機的靜態(tài)特性進行了分析與計算。 第五章在TFDSPM電機磁場分析的基礎上，研究了定、轉子鐵心厚度、氣隙長度、永磁體的尺寸以及極距、電機極數等對電機性能的影響，提出了使電機獲得優(yōu)良輸出性能時它們的合理取值范圍，根據分析的結果對電機局部結構和尺寸進行優(yōu)化設計。本章對電機相繞組感應電勢、定位轉矩及效率特性等進行了計算和分析，最終根據計算和優(yōu)化的結果設計了樣機。對橫向磁通雙凸極永磁電機和橫向磁通開關磁阻電機（TFSRM電機）進行了比較研究，得出了結論：在電機尺寸、電流相同的情況下，通過增加少量的永磁體，TFDSPM電機的轉矩高于TFSRM電機近一倍。最后對TFDSPM電機與SRM電機、傳統(tǒng)感應電

60、機的主要參數進行了比對，證明了TFDSPM電機具有較高的轉矩密度和有效材料利用率。 第六章對TFDSPM樣機控制系統(tǒng)進行了分析與設計，選擇了單繞組雙開關功率變換器作為樣機實驗方案，對功率變換電路的電流斬波方式進行了分析和研究。對樣機的控制器進行了設計與實現。 第七章對TFDSPM電機和TFSRM電機進行了有效仿真，并對兩種電機進行了矩角特性實驗和機械特性實驗。仿真及實驗結果表明TFDSPM電機具有較高的輸出轉矩，且電機永磁材料用料少，結構簡單，制造成本低等特點，具有一定的實用價值。 第二章 TFDSPM電機理論分析 和其它橫向磁通電機相比，TFDSPM電機的結構相對比較簡單，但電

61、機內部的磁場分布確十分復雜，繞組電流和磁通波形極不規(guī)則，給分析和計算帶來很大的難度。不過，TFDSPM電機內部的電磁過程仍然建立在電磁感應定律、全電流定律、能量守恒定律等基本的電磁關系上，并由此可寫出TFDSPM的基本平衡方程式。本章建立了TFDSPM電機的數學模型，在線性模式的基礎上，對TFDSPM電機進行了理論分析，定性地分析了電機主要參數隨轉子位置角變化規(guī)律，為分析電機的性能打下了基礎。 2.1 TFDSPM電機的數學模型 2.1.1 電機平衡方程式 對于相TFDSPM電機，由于各相結構和電磁參數對稱，根據電路定律，可以寫出電機第相的電壓平衡方程式：

62、 （2-1） 式中，——第相的端電流；——第相的繞組電流；——第相的繞組電阻；——第相的繞組磁鏈。 在TFDSPM電機中，由于各相之間彼此獨立，相間沒有電磁耦合，因此只有自感而沒有互感。繞組的磁鏈是由繞組電流建立磁鏈和永磁體產生的磁鏈共同建立的。 （2-2） 其中是轉子位置角和繞組電流的函數，是轉子位置角的函數，故可寫為： （2-3） 如果忽略電阻壓降，并假設磁路為線性，則（2-3）式可寫為： （2-

63、4） 式中，——電機角速度，；——由電流產生的磁鏈變化在繞組中引起的感應電勢，稱為變壓器電勢；——由于轉子旋轉，繞組交鏈的電流產生磁鏈的變化，產生的感應電勢，稱為旋轉電勢；——由于轉子旋轉與繞組交鏈的永磁體磁鏈變化，產生的感應電勢，稱為永磁電勢。 進一步考察TFDSPM電機的能量流，有： （2-5） 式（2-5）表明，輸入功率的一部分轉為磁場儲能增量，另一部分則輸出機械功率，可以說，TFDSPM電機正是利用其不斷的能量存儲、轉換獲得高效、大功率性能。 2.1.2 轉矩平衡方程式 當電機電磁轉矩與作用在電機軸上的負載轉矩不相等的轉速就會發(fā)生變化，產生角加速度，根據力

64、學原理，可以寫出： （2-6） 或： （2-7） 式中，——系統(tǒng)轉動慣量；——摩擦系數； ——負載轉矩。 當TFDSPM電機穩(wěn)定運行時，，則 （2-8） 2.1.3 電磁轉矩方程式 電磁轉矩可以表示為磁共能的函數： （2-9） 式中，——在電流作用下產生的磁共能，它是電流和轉子位置角的函數；——在永磁體作用下產生的磁共能，它是轉子位置角的函數。 綜上所述，對于相電機的數學模型可以表示為： （2-10） 由于電路、

65、磁路的非線性和開關性，式（2-10）描述的TFDSPM電機的數學模型實際上很難計算，為了得到電機運行特性一般的規(guī)律，通?？筛鶕唧w運行狀態(tài)和研究目的進行必要的簡化，利用線性模式有利于對TFDSPM電機的定性分析，了解其運行的物理狀況、內部各物理量的基本特點和相互關系。 2.2 TFDSPM電機的線性模式分析 在線性模式中作如下假設： 1） 忽略磁通邊緣效應和磁路非線性，鐵心磁導率； 2） 忽略所有功率損耗； 3） 功率管開關動作瞬時完成； 4） 電機恒速運轉。 根據TFDSPM電機存在永磁體勵磁和定子繞組勵磁并存的特點，為分析方便，在研究TFDSPM電機時，以定子繞組勵磁單獨作用

66、，永磁體單獨作用和兩者共同作用三種情況進行分析。 2.2.1定子繞組勵磁單獨作用時TFDSPM電機性能分析 TFDSPM電機的基本結構參見圖1-10。電機正常運行的磁場由電流和永磁體共同建立的，圖2-1表示了電機繞組電流方向及永磁體的極性。 （a）定轉子齒極軸向截面圖 （b）切向左齒極 （c）切向右齒極 圖2-1 定子繞組電流方向及永磁體的極性 圖2-2是轉子在0°，90°,180°三個典型位置時，定子繞組勵磁時，TFDSPM電機磁場分布示意圖（僅畫出電機定、轉子的右齒極） 圖2-2 TFDSPM電機磁場分布 由圖2-2可知，在0°位置，磁路、磁阻最大，繞組磁鏈最小，隨著定、轉子齒極重疊面的增加，磁路磁阻逐漸減小，繞組磁鏈增大；在180°位置，磁路、磁阻最小，繞組磁鏈最大；在0°~180°區(qū)間，繞組磁鏈隨轉子位置角的增加而增大，同理可知，在180°~360°轉子區(qū)間，繞組磁鏈則隨轉子位置角的增大而減小。 2.2.2 相繞組電感 在線性模式的基礎下，繞組電感與轉子位置角的關系可如圖2-3所示。 圖2-3 繞組電感與轉子位置角