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横向磁通永磁电机

/transverse flux permanent magnetic motor/
条目作者张成明

张成明

最后更新 2024-01-16
浏览 102
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相对于传统结构的径向磁通和轴向磁通电机而言的磁通永磁电机。

英文名称
transverse flux permanent magnetic motor
所属学科
电气工程

结构见图。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。

横向磁通永磁电机结构示意图横向磁通永磁电机结构示意图

横向磁通永磁电机采用独特的结构,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。同时,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。

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,较易制造;性能指标高的电机结构复杂,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。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,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,定子一般为软铁、硅钢片或者软磁复合材料,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。

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