新型横向磁通永磁电机磁场研究

第27卷第24期中国电机工程学报V ol.27 No.24 Aug. 2007

2007年8月Proceedings of the CSEE ?2007 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2007) 24-0058-05 中图分类号：TM341 文献标识码：A 学科分类号：470?40

新型横向磁通永磁电机磁场研究

褚文强，辜承林

(华中科技大学电气与电子工程学院，湖北省武汉市 430074)

Study on Magnet Field of Novel Transverse-flux Permanent Magnet Machine

CHU Wen-qiang, GU Cheng-lin

(College of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology,

Wuhan 430074, Hubei Province, China)

ABSTRACT: Firstly，a novel transverse-flux permanent magnet machine(TFPMM) is introduced．Then its no-load magnetic field is analyzed, including flux curve, the influence of different air gap/permanent magnet weight on magnetic field. Beside its cogging torque is also calculated．Finally, The experimental data is given and compared with the magnetic field computation results to prove the method above is available.

KEY WORDS: transverse-flux; permanent-magnet machine; magnetic field computation

摘要：简要介绍了一种新型横向磁通电机，然后针对该电机进行了空载磁场分析，给出了磁通变化曲线，分析了气隙长度、永磁体宽度对磁场的影响，同时还计算了电机定位力矩。给出了样机实验数据，并与磁场计算结果进行了对比分析，比较结果说明以上方法是有效的。

关键词：横向磁通；永磁电机；磁场计算

0 引言

横向磁通永磁电机(Transverse-flux permanent magnet machine，TFPMM)是20世纪80年代末由德国的H.Weh教授提出的一种新型电机结构形式[1-2]。磁路结构的改变使其从理论上克服了传统电机齿槽位于同一截面，几何尺寸相互制约，电机转矩难以根本提高的缺陷，特别适合低速、大转矩、直接驱动等应用场合。德国于1988年率先研制了首台45kW横向磁通永磁电机样机，1999年又将TFPMM作为电动车发展优选部件之一；英国Rolls- Royce国际研发中心于1997年设计并制作了3.0MW采用C形定子铁心的TFPMM样机，目前正在研制16相20MW横向磁通永磁电机[3-5]；美国通用汽车Allsion传动部着手于研究复合软磁材料(SMC)成形定子的横向磁通电机和爪形齿横向磁通电机，并研制了30kW电动车用横向磁通电机[6-8]；国内对横向磁通电机的研究开展较晚，但目前已有不少样机研制成功[9-11]。此外TFPMM还被应用于磁悬浮[12-14]、风力发电、直线驱动[15]等领域。但是上述各种拓扑结构都存在工艺复杂，加工困难，基本上不适合中小功率低速直驱式场合应用。文献[16]提出了一种新型TFPMM拓扑形式，简化了电机结构，降低了对制造工艺的要求，使得TFPMM有可能应用于中小功率场合。本文在文献[16]基础上，利用有限元方法分析了该电机的空载磁场，给出了磁通变化曲线，分析了气隙长度、磁体宽度对磁场的影响，同时还计算了定位力矩，最后对样机的实验数据进行了比较分析。

1 新型横向磁通永磁电机

TFPMM磁路呈三维分布，其拓扑结构变化较为丰富，按其永磁转子结构和磁路特点，可以分为平板式、聚磁式、磁阻式、无源转子式4类[17]。文献[16]正是在德国G．Henneberger教授设计的单边定子平板式TFPMM结构[18]基础上提出一种新型横向磁通电机拓扑结构(内定子、外转子)，其定转子结构如图1、2所示，主要结构特点如下：

（1）永磁体轴向磁化，相邻磁体极性相反，各相磁体(2p个)沿转子内表面均布，m相磁体轴向分隔，周向对齐。

（2）U形磁轭以两倍极距均布(每相p个)，各相独立，三相定子轴向互错120o电角度被固定在非磁性定子支架上。

（3）电枢绕组由同心绕制在U形磁轭中的周向线圈组成。

第24期褚文强等：新型横向磁通永磁电机磁场研究 59 U形铁轭

定子支架

定子绕组

图1新型横向磁通电机定子示意图(三相)

Fig. 1 Stator of three phase TFPMM

非磁性外壳

永磁体

图2新型横向磁通电机转子示意图三相)

Fig. 2 Rotor of three phase TFPMM

该新型TFPMM不但具有横向磁通电机的固有优势，如：转矩密度高、磁路与电路解耦、定子绕组结构简单、效率高、设计自由度大、相间独立等等；同时它还使得电机结构更为简单，永磁体数减少，轴向尺寸短，特别适合中小功率、低速、大转矩应用场合。

2 新型横向磁通电机磁场分析

TFPMM运转时，磁场分布时刻变化，但定子绕组并不直接切割气隙磁场，其电磁转矩是由气隙磁能变化形成的磁拉力产生的，而电机反电动势则由与电枢绕组交链的铁心磁链决定。此外，TFPMM 磁场呈三维分布，其端部漏磁不能忽略，同时也很难简化为二维模型，所以对TFPMM空载磁场进行三维分析就显得尤为重要和必要。在对磁场进行有限元分析时，为了减少计算量，充分考虑电机结构的对称性和周期性，整个求解域可取为一对极的1/2区域，如图3所示。设磁体轴向厚度为H m，周向宽度为W m，径向长度为L m，齿宽(即U形磁轭周向宽度)为b t，气隙长度(U形磁轭表面与磁体表面轴向单边间隙的两倍)为Lδ，图示位置约定为θ= 0°处。

首先计算H m= 5 mm，W m= 5 mm，L m=9 mm，b t = 6 mm，Lδ=2 mm情况下，定转子处于不同相对位置时空载磁场分布情况。图4为θ =0o时TFPMM 的空载磁场分布，图5则给出了θ 在0~90°电角度

H m/2

Lδ /2

L m

W m

b

t

图3三维分析求解域

Fig. 3 3D analysis model

图4 θ =0°时空载磁场三维分布图

Fig. 4 3D no-load magnetic field distributions when θ =0°

2.0

1.6

1.2

0.8

0.4

0.0

03060 90

θ/(°)

铁

心

磁

通/

W

b

×10?5

图5不同定转子相对位置时单个磁轭磁通变化曲线Fig. 5 Core flux curve with rotor angles

范围内变化时的铁心磁通波形。由于结构的对称性，其它区域的波形可通过延拓方式简便获得。从图4、图5中可以看出：

（1）TFPMM磁场分布比传统电机复杂，主要可以分为3部分：①主磁场，是指通过定子磁轭闭合的部分；②极间漏磁，是指由永磁体与相邻相反极性永磁体形成闭合磁场；③端部漏磁。这3种磁场中，只有主磁场与电机绕组相交链，参与电磁能量转换，而其他2种只对自定位转矩产生影响。

（2）铁心磁通按正弦波规律变化，对其它不同结构尺寸计算后亦可得出类似结果。由此，可得电机反电动势也是按正弦波变化，其频率和幅值可通过以下式子计算：

()/60

f p n

=?(1)

60 中 国 电 机 工 程 学 报

第27卷

260

em p n E p N p N ωφφ??π

=???=??? (2)

其中：p 为极对数；n 为电机转速；N 为各相定子绕组匝数；Φ为单个磁轭磁通最大值(同下)。

由以上计算和分析可知，只需计算出电机单个磁轭磁通的最大值Φ(对应于θ = 0o处)，即可获得电机铁心磁通曲线和反电势曲线。

在获得磁通波形后，为评估并改进电机设计方案，还需要分析各项参数对电机性能的影响[19]。为此，在大量计算基础上，下面给出最大铁心磁通Φ和漏磁系数σ 随气隙长度、永磁体宽度变化曲线，如图6~9所示。

分析上面各曲线，可以得出以下结论：

（1）TFPMM 的漏磁较传统电机严重[20-21]，极

3.0

2.5

2.0

1.5 0.5

1.0

1.5

2.0 L δ/mm

Φ/W b

×10?5

图6 最大铁心磁通随气隙长度变化曲线 Fig. 6 Gap length’s influence on Φ

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5 1.0 1.5 2.0

L δ /mm

σ

图7 漏磁系数随气隙长度变化曲线 Fig. 7 Gap length’s influence on σ

×10?5

3.0

2.5

2.0

1.5

4 5 6 7

W m /mm

Φ/W b

图

8 最大铁心磁通随永磁体宽度变化曲线

Fig. 8 PM width’s influence on Φ

2.2

2.0

1.81.6

4

5 6 7 W m /mm

σ

图9 漏磁系数随永磁体宽度变化曲线 Fig. 9 PM width’s influence on σ

间漏磁是导致TFPMM 漏磁远比传统电机严重的主要原因，其后果是反电动势减小，电机功率因数变差。但与其他拓扑形式TFPMM 相比，漏磁还是有所改善。

（2）铁心磁通随气隙长度增加而较少，漏磁系数亦随气隙长度增大而增大。其原因是：由于气隙长度和磁体间最小间距(1.5 mm)接近，所以，气隙增大，主磁路磁阻增大，极间漏磁和端部漏磁明显增加。

（3）永磁体宽度对磁场的影响较气隙长度要小。因为当永磁体宽度变化时，没有增加主磁路的磁阻，漏磁系数变大的主要原因是由于相邻磁体间距变小，极间漏磁增加，但端部漏磁变化较小。

（4）设计电机时，为减少漏磁，提高永磁体利用率，气隙长度应尽可能小，而永磁体宽度则应取如图9曲线所示的膝点处，即永磁体宽度应略小于齿宽。

与其它电机相仿，除指导结构设计之外，磁场计算结果也可直接应用于TFPMM 的性能分析，如解决设计中的定位力矩计算问题。定位力矩会使电磁转矩产生脉动，从而导致电机稳定性变差，噪声变大，尤其是当电机输出转矩较小时，是影响电机性能的重要因素之一。图10为定位力矩计算曲线。A 、B 、C 对应于A 相、B 相、C 相分量，三者互差120o，D 为三相合成结果。

θ /(°)

T /N ?m

0306090 120 150 180

1.00.0

?0.50.5?1.0

图10 自定位转矩曲线

Fig. 10 The calculated cogging torque curve of TFPMM

第24期 褚文强等： 新型横向磁通永磁电机磁场研究 61

从图中可以看出：

（1）单相电机在电角度θ= 0°和θ= 90°时定位力矩为零，但θ= 0°为不平衡位置，θ= 90°才是稳定平衡位置。

（2）三相结构不但可使部分转矩相互抵消，大大减少合成定位力矩幅值，还使得合成力矩的频率提高了3倍，其效果是电机输出转矩更加平稳，振动和噪声也都随之减小，电机性能得到改善。

3 样机实验

本课题组与湖北三环微特电机公司协同攻关，研制了上述新型横向磁通永磁电机样机，原始设计参数为：P N = 200W ，U N =36V ，n N =200r/min ，η=82%，p =20，m =3，L δ=1mm ，N =40。但是由于加工问题导致扫膛现象，为减轻其影响，实际样机做了以下调整：气隙长度增大到2mm ，每相绕组匝数增加到80。以下实验数据均是在L δ=2mm 、N =80时获得。图11为样机在200 r/min 发电运行时实录的A 、B 相反电动势波形。图12为36V 供电、200r/min 时的负载效率曲线。结果分析如下：

5V /格

2ms/格 t /ms

U /V

U a

U a

图11 实测反电动势波形

Fig. 11 The experimental result of EMF

P 2/W

η

0.8 0.4 0.6 0.3 0.5 0.7

图12 样机负载效率曲线

Fig. 12 Efficiency curve of the prototype

（1）实测三相反电势均按正弦规律变化，且

波形基本对称。波形周期为15ms ，式(1)计算结果也为15ms 。A 相幅值为12.5V ，B 相为11.4V ，式(2)计算结果为11.7V ，其中N =80，Φ=1.75*10?5Wb 。实验数据和磁场计算结果能较好吻合。

（2）样机负载效率小于设计值，主要原因有2

个：①样机气隙和绕组匝数的调整使得电机其他参数也发生了变化，如：相电阻至少增大4倍，即绕线长度增加一倍，导体截面积减小一半；铁心磁通比设计值的下降一倍多，反电势小于设计值，此时电机已非工作在最佳的设定点，输出功率也达不到原先设定要求，而电机损耗却加大；②扫膛引起的机械损耗增加，经比较，在电机200r/min 时，因扫膛使得机械损耗比通常情况增加了近5W 。

（3）从表1中给出的三组功率因数可以看出：首先，随着负载的增大，功率因数是提高的。其次，目前世界上已有的平板式横向磁通样机功率因素一般为0.4左右，而本样机的功率因数可达近0.7，说明本结构不但可行，而且漏磁也得到了改善。

表1 负载时功率因数值

Tab. 1 The experimental data of power factor

电机输出功率P 2/W 21.7 48.9 89.1

功率因数 0.34 0.544 0.695

4 结论

与传统电机相比，横向磁通电机具有转矩密度

高、设计灵活、电磁解耦、控制方便、低速特性优良等特点，其应用领域也日益扩展，尤其适合低速大功率驱动场合。但现有的横向磁通电机也存在不少缺点，如功率因数低、漏磁系数大、定位力矩 大[22]、结构复杂等等。文献[16]提出的新型拓扑形式，大大简化了电机结构，降低了工艺要求，并改善了电机漏磁，使得TFPMM 有可能应用于中小功率场合。

本文正是在文献[16]的基础上利用三维有限元方法对该新型拓扑结构进行了空载磁场计算，分析了主磁通变化规律，优化了电机主要结构参数，并且预测电机定位力矩变化曲线。从样机实验结果看，对空载磁场、主磁通变化曲线和漏磁的计算分析都是准确的，结构参数的优化也取得了较好的效果，这都说明上述方法是有效的。而这些工作也为进一步深入研究横向磁场电机提供了有力的理论、方法和数据支持。

参考文献

[1] Weh H ，May H ．Achievable force densities for permanent magnet

excited machines in new configurations[C]．Proc. Int. Conf. on Electrical Machines (ICEM)，Munchen ，German ，1986：1107-1111． [2] Weh H ，May H ．New permanent magnet excited synchronous machine

with high efficiency at low speed[C]．Proc. ICEM ，Pisa ，Italy ，1988：35-40．

[3] Mitcham A j ．Transverse flux motors for electric propulsion of

62 中国电机工程学报第27卷

ships[C]．Conference of IEE，London，UK，1997．

[4] French C D，Hodge C，Husband M．Optimised torque control of

marine transverse-flux propulsion machines[C]．Conference of IEE，Bath，UK，2002．

[5] Payne B S， Husband S M，Ball A D．Development of condition

monitoring techniques for a transverse flux motor[C]．Conference of IEE，Bath，UK，2002．

[6] Masmoudi．The Sizing of TFPM machines for bus and truck hybrid

vehicle applications[C]．EV16，Beijing，1999．

[7] Masmoudi，Njeh A，Elantably A．Optimizing the overlap between the

stator teeth of a claw pole transverse-flux permanent magnet machine[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2004，(3)：1573 -1578 [8] Guo Y G，Zhu J G，Watterson P A，Wu W．Comparative study of 3-d

flux electrical machines with soft magnetic composite cores[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，2003，(6)：1696-1703．[9] 郑文鹏，江建中，李永斌．基于三维磁网络法Ｅ型铁心横向磁场

电机的设计与研究[J]．中国电机工程学报，2004，24(8)：138-141．Zheng Wenpeng，Jiang Jianzhong，Li Yongbin．Design and analysis on tranverse flux machine with e-shaped stator cores based on 3d magnetic network method[J]．Proceedings of the CSEE，2004，24(8)：138-141(in Chinese)．

[10] 包广清，江建中，施进浩．多相聚磁式横磁通永磁电机的自定位

力矩研究[J]．中国电机工程学报，2006，26(15)：139-143．

Bao Guangqing，Jiang Jianzhong，Shi Jinhao．Study on the cogging torque of polyphase transverse flux permanent magnet machine with concentrated flux rotor[J]．Proceedings of the CSEE，2006，26(15)：139-143 (in Chinese)．

[11] 李永斌，高瑾，江建中．横向磁场开关磁阻电机永磁屏蔽技术研究

[J]．中国电机工程学报，2003，23(11)：164-168．

Li Yongbin，Gao Jin，Jiang Jianzhong．Research on a new transverse- flux switched reluctance machine with PM shields[J]．Proceedings of the CSEE，2003，23(11)：164-168(in Chinese)．

[12] Nozaki Y， Baba J，Shutoh K，et al．Improvement of transverse flux

linear induction motors performances with third order harmonics current injection[J]．IEEE Transactions on Applied Supercondu- ctivity，2004，(2)：1846-1849．

[13] Kang D H， Jeong Y H， Kim M H．A study on the design of

transverse flux linear motor with high power density[C]．ISIE，Pusan，Korea，2001：707-711．[14] Kang D H，Weh H．Design of an integrated propulsion，guidance，

and levitation system by magnetically excited transverse flux linear motor (TFMLM)[J]．IEEE Transactions on Energy Conversion，2004，

(3)：477-484．

[15] Mueller M A．Electical generators for direct drive wave energy

converters[J]．IEE Proc. Gener. Transm. Distrib，2002，(4)：446-455．[16] 陈金涛，辜承林．新型横向磁通永磁电机研究[J]．中国电机工程

学报，2005，25(15)：155-160．

Chen Jintao，Gu Chenglin．Study on novel transverse-flux permanent magnet machine[J]．Proceedings of the CSEE，2005，25(15)：

155-160(in Chinese)．

[17] Shi Jinhao，Li Yongbin．Survey on the development of transverse flux

machines[J]．Electrical Machines and Systems，2003，(1)：137-140．[18] Henneberger G，Bork M．Development of a new transverse flux

motor[C]．Proc．ICEM，London，UK，1997：1-6．

[19] 郭伟，赵争鸣．新型同步磁阻永磁电机的结构与电磁参数关系分

析[J]．中国电机工程学报，2005，25(11)：124-128．

Guo Wei，Zhao Zhengming．Analysis of the relation between the electro-magnetic parameters and the structure of synchronous reluctance permanent magnetic motors[J]．Proceedings of the CSEE，2005，25(11)：124-128．

[20] Harris M R，Pajooman G H，Abu Sharkh S M．The problem of power

factor in VRPM(Transverse-Flux) Machines[C]．EMD of IEE，

Cambridge，UK，1997，(444)：386-390．

[21] Arshad W M， Backstrom T， Sadarangani C．Analytical design and

analysis procedure for a transverse flux machine[C]．IEEE，Boston，2001：115-121．

[22] Masmoudi A， Elantably A．A simple assessment of the cogging

torque in a transverse flux permanent magnet machine[C]．IEEE Electric Machines and Drive Conference，Cambridge，2001：754-759．

收稿日期：2007-02-17。

作者简介：

褚文强(1982—)，男，硕士研究生，主要从事新型永磁电机及其优化设计的研究，mouse0108@https://www.sodocs.net/doc/a03074288.html,；

辜承林(1954—)，男，工学博士，教授，博士生导师，从事新型特种电机及其驱动控制系统的理论与应用研究。

(责任编辑丁玉瑜)

横向磁场永磁电机的发展和研究现状

横向磁场永磁电机的发展和研究现状 【摘要】横向磁场永磁电机因其高转矩密度和高效率的优点，吸引各国电机设计人员们对其结构设计、制造工艺、磁场分析及运行性能等方面展开了具体研究。在查阅现有的国内外相关文献资料的基础上，系统介绍了横向磁场永磁电机的主要拓扑结构的特点，分析了当前国内外横向磁场电机的主要研究方向，最后对其应用前景进行了展望。 【关键词】横向磁场；拓扑结构；自定位转矩；功率因数 1.引言 横向磁场永磁电机（Transverse Flux Permanent Magnet Machine，简称TFPM）是由德国著名电机专家H.Weh教授率先于1986年提出的一种新型电机结构，与传统电机相比，横向磁场电机具有以下特点[1][2]： （1）电机的每相都完全独立，因此相与相之间没有电磁耦合，可提高电机的容错能力。 （2）电机磁路呈三维分布，磁路与电路（线圈部分）处于不同平面，定子尺寸和线圈尺寸相互独立，从而使TFPM能够同时获得较大的定子齿横截面和线圈横截面，大大提高了电机的转矩密度，其输出大约是标准工业用异步电机的5~10倍。 （3）在保持转速、电机主要尺寸、气隙磁密等参数不变时，TFPM的功率与电机的极对数成正比，适用于低速、大转矩场合。 近几年来，随着电动车、电力直接推进装置和风力发电技术研究的深入，对高转矩密度、低速直接驱动电机的要求更为迫切，于是横向磁场永磁电机因其上述优点成为了新型电机的研究热点之一。许多欧美经济发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行横向磁场电机的理论和应用研究，丰富了横向磁场永磁电机的拓扑结构，促进了横向磁场电机的发展。本文较系统地介绍分析了当前横向磁场永磁电机的主要拓扑结构，阐述了当前国内外横向磁场电机的主要研究方向和方法，并对横向磁场电机存在的问题也做了简单介绍。 2.横向磁场电机的拓扑结构形式 按照永磁体的有无及安装方式来分，横向磁场电机拓扑结构可以分为四类：平板式、聚磁式、无源转子式和磁阻式[3]。 图1为德国亚琛的G.Henneberger教授设计的外转子平板式横向磁场永磁电机。这种结构中，永磁体被均匀地平铺于转子表面，相邻的永磁体被充磁成不同的极性，充磁方向一般为径向，U形定子铁心以两倍极距均匀分布在圆周上，其

横向磁场直线开关磁阻电机及其控制系统

横向磁场直线开关磁阻电机及其控制系统 葛宝明1，赵楠1，Aníbal T. de Almeida2，Fernando J. T. E. Ferreira2 (1．北京交通大学电气工程学院，北京市海淀区100044； 2．科英布拉大学电气工程系，葡萄牙科英布拉市3030) 摘要：研究了基于横向磁场直线开关磁阻电机(TFLSRM)、全数字控制器与新型位置传感器的直线电机驱动系统，建立了TFLSRM 数学模型。新型位置传感器利用了TFLSRM次极边极形，无需在次极安装任何元件，改善了系统可靠性。为改善系统性能，在电流环进行了从牵引力到平均电流的非线性转换，在速度环采用离散时间趋近率控制。基于DSP设计了控制器，测试了新型位置传感器与所提驱动系统的动、静态性能。实验结果验证了新型位置传感器与TFLSRM驱动系统的优良性能。 关键词：数字控制、直线开关磁阻电机、位置传感器、横向磁场电机 0 引言 近年来，开关磁阻电动机（SRM）获得了的广泛关注，但无数的有关建模、分析和旋转开关磁阻电机的控制文章已经被发表。虽然有许多的文献介绍纵向磁通型线性开关磁阻电机，但是很少有文献是介绍横向磁通型线性开关磁阻电机。横向磁通开关磁阻电机线性（TFLSRM）利用了垂直于运动的方向和电流流动的方向的磁回路，其结果为磁回路从电路中分离。这种结构使得它非常适合容易制造和维护，同时离散极简化了线性电动机的设计，相比于纵向磁场直线开关磁阻电机，这种结构可以降低总成本。单位体积的高力密度和高效率是其主要优点。因此，TFLSRM作为一个有吸引力的旋转电动机代替品，正在成为直线运动的最优选择。此外，TFLSRM是相当适合高速直线运动应用，由于增强了整个系统的电磁侧力。 横向磁通式的线性开关磁阻电机的原型建筑是有史以来提出的第一个有

永磁同步电动机电磁场计算中定转子空间相对位置确定的研究

第34卷第2期2004年3月 东南大学学报( 自然科学版) JO UR NAL OF S OUTHEA ST UNIVER SITY (Natural Science Edition) Vol 134No 12 Mar.2004 永磁同步电动机电磁场计算中定转子 空间相对位置确定的研究 刘瑞芳1,3 严登俊2 胡敏强1 (1东南大学电气工程系,南京210096)(2河海大学电气工程学院,南京210098)(3北京交通大学电气学院,北京100044) 摘要:采用通用有限元软件对永磁同步电动机电磁场分析时,存在着电动机定、转子轴线相对位置未知的问题,而确定这个相对位置是任意负载下磁场计算的前提.本文通过研究电动机电磁量之间的关系找到特定内功率因数角下气隙合成电势和内功率角的特征.提出一种相当于逆问题分析的处理方法,在不同定子电流初相位下进行计算,搜寻对应于特定内功率因数角磁场分布,从而求得定转子空间的初始相对位置. 关键词:永磁同步电动机;有限元;定转子空间相对位置 中图分类号:T M351 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2004)022******* Investigation in determining the relative position between stator and rotor of a PMSM in electromagnetic field calculation Liu Ruifang 1,3 Yan D engjun 2 Hu Minqiang 1 (1Department of Electrical Engineering,Southeas t Univers ity,Nanjing 210096,C hina)(2C ollege of Electrical Engineering,Hohai Univers ity,Nanjing 210098,C hina)(3School of Electrical Engineering,Beijing Ji aotong University,B eiji ng 100044,Chi na) Abstract:When designing universal finite ele ment sof tw are for analyzing the per manent magnet synchronous motors (PM S Ms),the relative position of the stator and rotor a xis remains unkno wn.How ever determining the relative position is a precondition for electroma gnetic field calculation.Through analyzing the basic relationship of variables in synchronous machines the characteristics of air gap resultant E M F and inner power angle under special inner po wer factor angle can be obtained.A technique similar to inverse problem solving is proposed in this paper.A series of electromagnetic field calculation under different armature current initial phase angles are carried out firstly,then through searching the field of special inner pow er factor angles the relative position of rotor and stator can be determined subsequently.Key words:PM S M;finite element method (FE M);relative position of stator and rotor 收稿日期:2003201222. 作者简介:刘瑞芳(1971)),女,博士生;胡敏强(联系人),男,博 士,教授,博士生导师,m qhu@https://www.sodocs.net/doc/a03074288.html,. 在永磁同步电动机通用软件设计中,存在着电动机定、转子相对位置未知的问题,而确定这个相对位置是进行永磁同步电动机负载磁场计算的前提.现有文献多采用根据具体电动机的结构和槽号 分配来判断定、转子轴线相对位置[1~3].但对通用程序,软件系统应当具有自动判断定、转子初始相对位置的功能,否则会使用户对程序的干预大大增加,不易实现程序的自动化和通用化. 1 定转子空间相对位置的确定问题 根据M axwell 方程,永磁同步电动机的二维电磁场边值问题可以表述为

U型无铁心永磁同步直线电机磁场建模与分析

喏名L 乃农别名阄2018,45 (2)研究与设计I EMCA U 型无铁心永磁同步直线电机磁场建模与分析 李争"，张家祯"，王群京2 (1.河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018; 2.安徽大学高节能电机及控制技术国家地方联合工程实验室，安徽合肥230601) 摘要：传统的铁心式直线电机由于铁心开断的影响，造成了横向和纵向边端效应，使推力输出波动较 大;无铁心 直线电机 槽 的优点，结构简单，控制灵活。采两种 铁心 直线电机 的问题， 和 电 ， 采 电机 ， 验 计算的 。 电机 的影响。 电机 ， 了 优化设计，为 电机的设计与 了 。 关键词：无铁心"直线电机；磁场分析；解析法"有限元法中图分类号： TM 351 文献标志码：A 文章编号：1673-6540(2018)02-0075-06 Magnetic Field Modeling and Analysis of U-Shaped Ironless Permanent Magnet Synchronous Linear Motor * Ll Zheng 1， ZHANG Jiazhen 1， WANG Qunjing 2 (1. School of Electrical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuan 2. National Engineering Laboratory of Energy-saving M otor & Control Technique，Anhui University ， Hefei 230601，China ) Abstract : Due t o the influence of tlie core breaking ，the traditional iron core linear motor had the end-effect of lateral and vertical side ，which m ade the output of the thrust line fluctuate greatly. The ironless permanent magnet synchronous linear motor has the advantages of zero slot effect ， simple structure and flexible control. Based on the analysis of air gap magnetic field ironless permanent magnet synchronous linear motor problems by using two kinds of analytical method ，namely e quivalent magnetic potential method and the equivalent magnetizing current method ，and the finite element analysis of the magnetic field using the finite element method. The analytical m field analysis was verified to be accurate. By changing the motor parameters ，the optimization design was achieved ， which provided the r eference for the design and analysis of same kind of motors. Key words : ironless ; linear motor ; magnetic field analysis ; analytical method ; finite element method 0 ^ * 更小、效率更高，系统的精度、稳定性和响应速度0 能 优越。齿槽 和端 直线电机把电能直 成直线推 于铁心式 直线电机中，会造成电机动态动力能的 ，与传统的 电 机 ，直线电机 能差、振动 高、系统 ，影响电机 传动 ， 统结构更简单、 和 [1]; 铁心 直线电 *基金项目：国家自然科学基金项目（51577048,51637001，51107031);河北省留学人员科技活动项目择优项目（C 2015003044);高节 能电机及控制技术国家地方联合工程实验室开放课题基金项目（ K F K T 201601) 作者简介：李争（1980—），男，博士，教授，硕士生导师，研究方向为特种电机及其控制。 张家祯（1993—），女，硕士研究生，研究方向为直线电机设计与控制技术。王群京（I 960—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为电机及其控制技术。 一 75 —

径向磁通开关磁阻电机的发展历史及趋势

文献检索 径向磁通开关磁阻电机的发展历史及趋势 姓名 学号825 所在学院电气与电子工程学院 专业班级12电气7班 日期2014年12月26日

一、开关磁阻电机发展简介 开关磁阻电机是80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型调速驱动系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出特点，成为交流电机调速系统、直流电机调速系统和无刷直流电机调速系统的强有力的竞争者，引起各国学者和企业界的广泛关注。跨国电机公司Emerson电气公司还将开关磁阻电机视为其下世纪调速驱动系统的新的技术、经济增长点。目前开关磁阻电机已广泛或开始应用于工业、航空业和家用电器等各个领域。 1970年，英国Leeds大学步进电机研究小组首创一个开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor, SRM）雏形，这是关于开关磁阻电机最早的研究。1972年，进一步对带半导体开关的小功率电动机（10w～1kw）进行了研究。到了1975年有了实质性的进展，并一直发展到可以为50kw的电瓶汽车提供装置。1980年在英国成立了开关磁阻电机驱动装置有限公司（SRD Ltd.），专门进行SRD系统的研究、开发和设计。1983年英国（SRD Ltd.）首先推出了SRD系列产品，该产品命名为OULTON。1984年TASC驱动系统公司也推出了他们的产品。另外SRD Ltd. 研制了一种适用于有轨电车的驱动系统，到1986年已运行500km。该产品的出现，在电气传动界引起不小的反响。在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛应用的一些变速传动系统。 从上世纪90年代国际会议的上有关SRD系统的文章来看，对SRD系统的研究工作已经从论证它的优点、开发应用阶段进入到设计理论、优化设计研究阶段。对SR电机、控制器、功率变换器等的运行理论、优化设计、结构形式等方面进行了更加深入的研究。 二、开关磁阻电机的分类 按气隙磁通方向分类方法将开关磁阻电机分为两类：径向磁通开关磁阻电机和横向磁通开关磁阻电机。这里，着重分析径向磁通开关磁阻电机。 1、径向气隙磁通 发电机依靠转子对定子的相对运动来发电，在定子与转子之间的间隙称为气隙。在传统电机结构中，定子在外围，转子在中间旋转，见图1右图，定子与转

永磁直线电机精确相变量建模方法(精)

第29卷第9期中国电机工程学报V ol.29 No.9 Mar.25, 2009 98 2009年3月25日 Proceedings of the CSEE ?2009 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号:0258-8013 (2009 09-0098-06 中图分类号:TM 351;TM 359 文献标志码:A 学科分类号:470?40 永磁直线电机精确相变量建模方法 曾理湛1,陈学东1,李长诗2,农先鹏1,伞晓刚1 (1. 数字制造装备与技术国家重点实验室(华中科技大学,湖北省武汉市 430074; 2. 郑州轻工业学院机电工程学院,河南省郑州市 450002 Accurate Phase Variable Modeling of PM Linear Motors ZENG Li-zhan1, CHEN Xue-dong1, LI Chang-shi2, NONG Xian-peng1, SAN Xiao-gang1 (1. State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment & Technology (Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, Henan Province, China ABSTRACT: This paper proposes a general finite element (FE based phase variable modeling method of permanent magnet (PM linear motors for the accurate dynamic simulation of drive systems. A general phase variable model of PM linear motors is established taking account of the effects of the nonideal geometrical structure on the thrust force, in which the mover position dependent variables are obtained from FE

新型轴向磁场磁通切换型永磁电机外围漏磁有限元处理方法

…．堕壁皇型…竺望然舅……………………………………蟛望‰√ｊ新型轴向磁场磁通切换型永磁电机外围漏磁有限元处理方法 张磊，林明耀，李鑫 （东南大学，江苏南京２１００９６） 摘要：针对轴向磁场磁通切换型永磁电机，提出了一种电机外围漏磁有限元处理方法——能量法，即电机有限元模型外围模拟空气环境的虚拟空气罩尺寸的确定方法。不同虚拟空气罩尺寸下，工作气隙永磁磁通幅值计算 结果的变化趋势说明了该方法的可行性。研究表明，使用该方法可以在计算时间和精度之间实现最优化，该方法 同样可以推广到双【ｆｌｌ极电机等定子永磁型电机的有限元分析。 关键词：外围漏磁：能量法；虚拟空气罩；永磁电机；有限元仿真 中图分类号：ＴＭ３５１文献标识码：Ａ文章编号：１００４－７０１８（２０１０）０１一∞眇一舛 ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＭｅｔｈｏｄｔｏＰｅｒｉｐｈｅｒａｌＦｌｕｘＬｅａｋａｇｅｉｎａＮｏｖｅｌＡｘｉａｌＦｉｅｌｄ Ｆｌｕｘ－ＳｗｉｔｃｈｉｎｇＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ Ｍａｃｈｉｎｅ ＺＨＡＮＧＬｅｉ。ｕＮＭｉｎｇ－ｙａｏ，ＬＩＸ／ｎ （ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｅｎｅｒｇｙｔｏｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｆｌｕｘｌｅａｋａｇｅｉｎａｎｏｖｅｌａｘｉａｌｆｉｅｌｄｆｌｕｘ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔ（ＡＦＦＳＰＭ）ｍａｃｈｉｎｅｗａｇｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．１１ｌｅｓｉｚｅｏｆｓｕｐｐｏｓｉｔｉｏｎａｌｐｅｒｉｐｈｅｒａｌａｉｒｃｙｌｉｎｄｅｒｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅＡＦＦＳＰＭｍａｃｈｉｎｅｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｓｕｇｇｅｓｔｅｄｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｕｓ，ａ ｂａｌａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄｔｉｍｅＷａｓａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈａｔｂｙｔｈｅｖａ－ ｆｉａｎｃｅｏｆＰＭｆｌｕｘｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅ．ＴｈｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｆｕｌｉｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍａｃｈｉｎｅｓｗｉｔｈＰＭ ｉｎｓｔａｔｏｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｆｌｕｘｌｅａｋａｇｅ；ｅｎｅｒｇｙｍｅｔｈｏｄ；ｓｕｐｐｏｓｉｔｉｏｎａｌａｉｒｃｙｌｉｎｄｅｒ；ＰＭｍａｃｈｉｎｅ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ０引言 传统的永磁电机将永磁体放置在转子上，为防止电机高速运行时永磁体受到离心力作用而被甩落，通常在转子上安装不锈钢或非金属纤维材料制成的固定套，但这会导致转子散热困难。过高的温升会使永磁体发生不可逆退磁，限制电机出力，减小电机输出功率。近年来，以新型双凸极永磁（以下简称ＤＳＰＭ）电机和磁通切换型永磁（以下简称ＦＳＰＭ）电机为代表的定子永磁电机可以较好地解决上述问题‘１－４］。图１为一台三相１２／１０极径向磁场磁通切换型永磁（以下简称ＲＦＦＳＰＭ）电机截面图，该电机通过定、转子相对位置的变化，引起电机内磁路改变，从而使得电机内的电磁场发生变化，以实现电机的电动或发电运行。但是由于将永磁体置于定子中，电机外围漏磁将导致感应电势幅值的有限元计算结果大于实测值一ｊ。为了使有限元计算结果更接近实际情况，建模过程中，应该计及电机外围漏磁的影响，习惯的做法是在电机有限元模型外围加 收稿日期：２００９—０５—１８ 基金项日：江苏省自然科学基金项目（ＢＫ２００８３０６） ９上模拟空气环境的虚拟空气罩‘引，然而附加的虚拟空气罩在剖分、求解及数据后处理过程中都会增加工作量，延长求解时间。因此，确定空气罩的尺寸，在计算时间和求解精度之间达到最优化，不仅具有重要的理论意义，也具有很好的应用价值。 图ｌ三相１２／１０极ＲＦＦｓＰＭ电机截面图 目前，有限元建模时，在电机外围加模拟空气环境的虚拟空气罩的做法已被广泛采用，但有关确定其尺寸的方法尚未见诸文献。本文以一台三相１２／１０极轴向磁场磁通切换型永磁（以下简称ＡＦＦ．ＳＰＭ）电机为例，基于全场域三维有限元分析方法，提出了一种在有限元程序中容易实现的电机外围模拟空气环境的虚拟空气罩尺寸确定方法——能量法，分析了不同虚拟空气罩尺寸对该电机工作气隙永磁磁通幅值计算结果的影响。最后，运用此法对一台三相１２／１０极ＲＦＦＳＰＭ电机有限元模型中电机外围的虚拟空气罩尺寸进行分析，说明提出的方法 万方数据

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率 密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航 天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电 动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速 永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电 动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另 一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变 频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电 动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D 中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行 了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子 冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ?、起动转矩st T 和最大转矩max T 。本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 额定数据 数值 额定功率 N 30kw P = 相数 =3m 额定线电压 N1=380V U 额定频率 =50Hz f 极对数 =3p 额定效率 N =0.94η 额定功率因数 N cos =0.95? 绝缘等级 B 级 计算额定数据：

一种微小型永磁直流直线电机

第10卷　第1期2006年1月 　 电　机　与　控　制　学　报 EL EC TR IC MACH I N ES AND CON TROL 　 Vol 110No 11Jan .2006 一种微小型永磁直流直线电机 王坤东,　颜国正 (上海交通大学电信与电气工程学院820所,上海200030) 摘　要:针对永磁直流直线电机的微型化问题,提出了近似拼接的设计方案,优化了结构参数,并 加工出样机进行了试验。在尺寸所限下,该电机使用多个长方体永磁块拼接的正八边形来近似逼近全径向磁化管形磁铁励磁。利用有限元分析软件Max W ell910优化了气隙和磁铁厚度等结构参数。对样机进行了试验分析,结果表明电机驱动力和电流呈线性关系,在整个行程中,输出力均匀,驱动力在电流01004A 时可达0172N,线圈温度在5516°C 。关键词:微小型;永磁;直线电机;有限元优化 中图分类号:T M351 文献标识码:A 文章编号:1007-449X (2006)01-0070-04 A m i n i a ture per manent magnet li n ear DC motor WANG Kun 2dong,　Y AN Guo 2zheng (School of Electrical and I nf or mati on Eng .,Shanghai J iaot ong Univ .,Shanghai 200030,China ) Abstract:This paper p resented a method based on j ointed per manents for m iniature of DC linear mot or .Structural para meters were op ti m ized .Pr ot otype was manufactured t o make s ome experi m ents .Under the constraint of m icr o di m ensi on,several rectangular per manent magnets were j oined t o be octagon,whose field app r oaches the filed of tube 2shaped per manent magnetized at radial directi on .Based on the FEA s oft w are Max W ell 910,the structural para meters such as dep th of air gap and per manent magnet were op 2ti m ized .The characters of mot or are analyzed thr ough experi m ents .Research de monstrates that driving f orce is p r oporti onal with the current,and driving force is stable in the whole str oke,and driving force reaches 0172N when the current strength is 01004A ,and the te mperature of coil rises t o 5516°C .Key words:m iniature;per manent;linear mot or;FE op ti m is m 收稿日期:2004-10-21;修订日期:2005-06-15 基金项目:国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2001AA422210) 作者简介:王坤东(1978-),男,博士研究生,研究方向为微型特种机器人; 颜国正(1960-),男,博士后、教授、博士生导师,研究方向为特种机器人、仿生机械。 1　引　言 在微小空间进行作业的行走机构,如工业细小管道或人体消化道的检测机器人等,要求直径在10～15mm 之间,同时对驱动技术也提出了新的要求, 如驱动力大、控制方便、可靠等[1,2] 。微型旋转电机受尺寸的限制,加上将旋转运动变为直线运动的中间机构也占有一定空间,因此将外形尺寸控制在直径为10mm 以下比较困难 [3] 。压电驱动器行程较 短,一般都是在μm 量级,存在如何将位移进行放大 的问题,而且驱动力很难控制[4] 。形状记忆合金驱动器由于记忆合金的加热变形—冷却回复的时间较 长,因此速度较慢[5] 。直线电机是近年来出现的一种新型驱动技术,它将电能直接转换为直线运动的机械能,不需要运动转换的中间机构,因此结构尺寸上能够进一步减小。直线电机种类繁多,其中永磁直流直线电机由永磁励磁,结构简单,控制方便。从现有的产品看,还没有出现直径在10mm 以下的圆

新型横向磁通永磁电机磁场研究

第27卷第24期中国电机工程学报V ol.27 No.24 Aug. 2007 2007年8月Proceedings of the CSEE ?2007 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2007) 24-0058-05 中图分类号：TM341 文献标识码：A 学科分类号：470?40 新型横向磁通永磁电机磁场研究 褚文强，辜承林 (华中科技大学电气与电子工程学院，湖北省武汉市 430074) Study on Magnet Field of Novel Transverse-flux Permanent Magnet Machine CHU Wen-qiang, GU Cheng-lin (College of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China) ABSTRACT: Firstly，a novel transverse-flux permanent magnet machine(TFPMM) is introduced．Then its no-load magnetic field is analyzed, including flux curve, the influence of different air gap/permanent magnet weight on magnetic field. Beside its cogging torque is also calculated．Finally, The experimental data is given and compared with the magnetic field computation results to prove the method above is available. KEY WORDS: transverse-flux; permanent-magnet machine; magnetic field computation 摘要：简要介绍了一种新型横向磁通电机，然后针对该电机进行了空载磁场分析，给出了磁通变化曲线，分析了气隙长度、永磁体宽度对磁场的影响，同时还计算了电机定位力矩。给出了样机实验数据，并与磁场计算结果进行了对比分析，比较结果说明以上方法是有效的。 关键词：横向磁通；永磁电机；磁场计算 0 引言 横向磁通永磁电机(Transverse-flux permanent magnet machine，TFPMM)是20世纪80年代末由德国的H.Weh教授提出的一种新型电机结构形式[1-2]。磁路结构的改变使其从理论上克服了传统电机齿槽位于同一截面，几何尺寸相互制约，电机转矩难以根本提高的缺陷，特别适合低速、大转矩、直接驱动等应用场合。德国于1988年率先研制了首台45kW横向磁通永磁电机样机，1999年又将TFPMM作为电动车发展优选部件之一；英国Rolls- Royce国际研发中心于1997年设计并制作了3.0MW采用C形定子铁心的TFPMM样机，目前正在研制16相20MW横向磁通永磁电机[3-5]；美国通用汽车Allsion传动部着手于研究复合软磁材料(SMC)成形定子的横向磁通电机和爪形齿横向磁通电机，并研制了30kW电动车用横向磁通电机[6-8]；国内对横向磁通电机的研究开展较晚，但目前已有不少样机研制成功[9-11]。此外TFPMM还被应用于磁悬浮[12-14]、风力发电、直线驱动[15]等领域。但是上述各种拓扑结构都存在工艺复杂，加工困难，基本上不适合中小功率低速直驱式场合应用。文献[16]提出了一种新型TFPMM拓扑形式，简化了电机结构，降低了对制造工艺的要求，使得TFPMM有可能应用于中小功率场合。本文在文献[16]基础上，利用有限元方法分析了该电机的空载磁场，给出了磁通变化曲线，分析了气隙长度、磁体宽度对磁场的影响，同时还计算了定位力矩，最后对样机的实验数据进行了比较分析。 1 新型横向磁通永磁电机 TFPMM磁路呈三维分布，其拓扑结构变化较为丰富，按其永磁转子结构和磁路特点，可以分为平板式、聚磁式、磁阻式、无源转子式4类[17]。文献[16]正是在德国G．Henneberger教授设计的单边定子平板式TFPMM结构[18]基础上提出一种新型横向磁通电机拓扑结构(内定子、外转子)，其定转子结构如图1、2所示，主要结构特点如下： （1）永磁体轴向磁化，相邻磁体极性相反，各相磁体(2p个)沿转子内表面均布，m相磁体轴向分隔，周向对齐。 （2）U形磁轭以两倍极距均布(每相p个)，各相独立，三相定子轴向互错120o电角度被固定在非磁性定子支架上。 （3）电枢绕组由同心绕制在U形磁轭中的周向线圈组成。

磁通切换永磁电机等效模型与控制策略分析

第13卷　第5期2009年9月 　 电　机　与　控　制　学　报 EL EC TR IC MACH I N ES AND CON TROL 　 Vol 113No 15Sep.2009 磁通切换永磁电机等效模型与控制策略分析 贾红云,　程明,　花为,　赵文祥 (东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心,江苏南京210096) 摘　要:针对传统转子永磁型电机散热困难导致永磁体发生不可逆退磁、限制电机出力、减少功率 密度等问题,提出了一种定子永磁型磁通切换永磁(FSP M )电机,并对该电机结构特点与等效模型进行了分析,比较了定子磁场定向控制(SF OC )、直接转矩控制(DTC )及基于空间矢量调制的直接转矩控制(S VM 2DT C )三种控制方法在FSP M 电机上的应用效果。运用dSP ACE 的实验平台,对基于SF OC 的FSP M 电机驱动系统进行了实验研究。仿真与实验结果表明,采用SF OC 的FSP M 电机转矩脉动小、电流正弦度好以及低速性能优越,更适合于低速驱动领域的应用。关键词:磁通切换;定子永磁电机;等效模型;定子磁场定向;直接转矩控制 中图分类号:T M 351 文献标志码:A 文章编号:1007-449X (2009)05-0631-07 Equi valent model and control strategi es analysis for flux 2switchi n g per manent 2magnet motor J I A Hong 2yun,　CHENG M ing,　HUA W ei,　ZHAO W en 2xiang (Engineering Research Center forMoti on Contr ol of MOE,Southeast University,Nanjing 210096,China ) Abstract:Traditi onal r ot or 2per manent magnet (P M )mot or cooling p r oble m s lead t o irreversible P M de 2magnetizati on li m iting the electrical out put capacity,reducing the power density and s o on .A ne w stat or 2per manent magnet flux 2s witching P M (FSP M )is put f or ward .Its configurati on and equivalent mathe matic model are analyzed,and three contr ol strategies,na mely stat or flux 2orientati on contr ol (SF OC ),direct t orque contr ol (DTC )and s pace vect or modulati on DTC (S VM 2DT C ),are compared for a FSP M mot or on app licati on effects,res pectively . Further more,the SF OC syste m is i m p le mented in a real 2ti m e dSP ACE contr ol p latf or m f or the experi m ental test of a p r ot otyped FSP M mot or drive .The si m ulated and experi m ental results indicate that the SF OC method has p ri or perfor mances including the sinus oidal phase current and l ow t orque and s peed pulsati ons,which is suitable f or the request of l ow s peed operati on .Key words:flux 2s witching;stat or per manent magnet mot ors;equivalent model;stat or flux 2orientati on;direct t orque contr ol 收稿日期:2009-04-14 基金项目:国家自然科学基金(50729702;50807007);航空科学基金(20080769007);江苏省2008年度研究生科技创新计划基金(CX08B_067Z )作者简介:贾红云(1979—),女,博士研究生,研究方向为新型电机驱动与控制; 程　明(1960—),男,教授,博士生导师,研究方向为电动车驱动控制技术、新能源发电技术、微特电机及测控系统等;花　为(1978—),男,博士,讲师,研究方向为新型电机设计与控制; 赵文祥(1976—),男,博士研究生,讲师,研究方向为永磁电机及其驱动系统的可靠性分析。 0　引　言 随着控制理论、永磁材料和电力电子技术的发 展,基于磁场定向控制(flux 2orientati on contr ol, F OC )、直接转矩控制(direct t orque contr ol,DT C )等先进控制算法的转子表面贴装式永磁(surface 2

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell软件中的RMxprt模块进行了一种调速永磁同步电动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 T。本例所永磁同步电动机的效率η、功率因数cos?、起动转矩st T和最大转矩max 设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 计算额定数据：

(1) 额定相电压：N 220V U U == (2) 额定相电流：3 N N N N N 1050.9A cos P I mU η??== (3) 同步转速：160=1000r /min f n p = (4) 额定转矩：3 N N 1 9.5510286.5N m P T n ?==g 2.2 主要尺寸和气隙长度的确定 永磁电机的主要尺寸包括定子内径和定子铁心有效长度，它们可由如下公式 估算得到： 2 i11P D L C n '= N N N cos E K P P η?'=， 6.1p Nm dp C K K AB δ α=' 式中，i1D 为定子内径，L 为定子铁心长度，P '为计算功率，C 为电机常数。 E K 为额定负载时感应电势与端电压的比值，本例取0.96；p α'为计算极弧系数， 初选0.8；Nm K 为气隙磁场的波形系数，当气隙磁场为正弦分布时等于1.11；dp K 为电枢的绕组系数，初选0.92。A 为电机的线负荷，B δ为气隙磁密，A 和B δ的 选择非常重要，直接影响电机的参数和性能，应从电机的综合技术经济指标出发 来选取最合适的A 和B δ值，本例初选为200A/cm,0.7T A B δ==。 由上式可初步确定电机的2i1D L ，但要想进一步确定i1D 和L 各自的值，还应选择主要尺寸比i1i122L L pL D D p λπτπ===，其中τ为极距。通常，中小型同步电动机的0.6~2.5λ=，一般级数越多，λ也越大，本例初选1.4。 永磁同步电动机的气隙长度δ一般要比同规格的感应电动机的气隙大，主要 是因为适当的增加气隙长度可以在一定的程度上减小永磁同步电动机过大的杂 散损耗，减低电动机的振动与噪声和便于电动机的装配。所以设计永磁同步电动 机的气隙长度时,可以参照相近的感应电动机的气隙长度并加以适当的修改。本 例取=0.7mm δ。 确定电动机定子外径时，一般是在保证电动机足够散热能力的前提下，视具 体情况为提高电动机效率而加大定子外径还是为降低成本而减小定子外径。