影响横向磁场开关磁阻电机性能的主要因素研究

张学毅，马晓光，朱永祥

(湖南工业大学，湖南株洲412000)

0 引 言

横向磁场开关磁阻电机(以下简称TFSRM)是根据“磁阻最小”原理设计的双凸极磁阻电动机，其运动方向与主磁路垂直，结构简单;由它所构成的调速系统可控参数多，可靠性高，起动转矩大，在宽广的转速和功率范围内效率高，易于实现正向起动和制动、反向起动和制动。TFSRM的最大缺陷是转矩脉动大，噪声大，转矩脉动会对低速车辆运行的平稳性产生影响等。为了使TFSRM在应用中扬长避短，有必要对影响TFSRM性能的主要因素进行分析，从而优化TFSRM的结构参数。

1 影响TFSRM输出转矩的因素

在普通径向电机中，由于齿槽结构的原因，电机极数不易过多;而TFSRM一般运行在低速大转矩状态，可采用增加极数、减少极距的方法来提高电磁转矩。但是，深入研究表明:TFSRM的输出转矩并不随极数增加而增加，原因是TFSRM极数增加时，极距将减小，铁心磁饱和度和漏磁将增加，输出转矩降低。因此，欲进一步提高TFSRM的输出转矩，可采用减小漏磁、屏蔽漏磁通的方法来实现，如:在电机的定子、转子铁心靠近气隙的侧面贴装永磁体，如图1所示，利用与漏磁通方向相反的永磁体磁通屏蔽漏磁通，减小漏磁，仿真结果表明采用永磁屏蔽能增加TFSRM的输出转矩。

图1 有永久磁钢的TFSRM总体结构

1.1 TFSRM气隙磁场分析

电机的输出转矩与电机的气隙磁场密切相关，下面应用三维等效磁网络法对无永磁屏蔽和有永磁屏蔽的两台TFSRM样机进行气隙磁场分析。

1.1.1 无永磁屏蔽的TFSRM气隙磁场

当转子槽中心线与定子齿极中心线重合时，定义转子位置角为0°电角度。图2给出了当转子位置角为60°电角度，无屏蔽样机在电枢绕组电流为10 A时TFSRM样机的气隙磁场分布情况。

图2 无永磁屏蔽TFSRM电角度的气隙磁密分布

1.1.2有永磁屏蔽的TFSRM气隙磁场

TFSRM的磁路高度饱和，磁路越饱和，漏磁就越多。如果能降低TFSRM的漏磁，就可以降低其损耗，优化其性能。基于上述方法，在电机的定子、转子铁心靠近气隙的侧面贴装永磁体磁钢，使永磁体的极性与转子、定子铁心的漏磁通方向相反，就能屏蔽漏磁，增加气隙磁密，从而增大TFSRM的输出转矩。图3给出了有屏蔽TFSRM、转子位置角为60°电角度、电枢绕组电流为10 A时气隙磁场分布情况。

图3 有永磁屏蔽TFSRM 60°电角度的气隙磁密分布

由图2和图3可以看到，有永磁屏蔽的样机气隙磁场变化率大。为方便比较TFSRM有屏蔽样机与无屏蔽样机气隙磁密的变化情况，图4给出了无屏蔽和有屏蔽两台样机在60°电角度时径向曲线分布。

图4 TFSRM样机气隙磁密径向曲线

由图2～图4得到结论:有永磁屏蔽的TFSRM的漏磁比无永磁屏蔽的TFSRM的漏磁小，前者磁通的最小值小于后者磁通的最小值，前者磁通的最大值大于后者磁通的最大值，说明当绕组电流相同时，有永磁屏蔽的TFSRM的磁通变化率比无永磁屏蔽的TFSRM磁通变化率大，其输出转矩也更大。

1.2 TFSRM系统仿真分析

根据在MATLAB/Simulink中建立的TFSRM模型，电枢绕组电流设为10 A，分别对无永磁屏蔽的TFSRM与有永磁屏蔽的TFSRM进行转矩仿真，如图5和图6所示。

图5 无永磁屏蔽的TFSRM样机转矩波形

图6 有永磁屏蔽的TFSRM样机转矩波形

由图5和图6可以看出:无永磁屏蔽的TFSRM平均输出转矩约为7 N·m，有永磁屏蔽的TFSRM平均输出转矩约为12 N·m，提高近42%，验证了前面对TFSRM分析是正确的。

2 TFSRM主要参数对其性能的影响

电机性能主要指电机的电磁转矩，在理想条件下，电机的电磁转矩可表示:

式中:Tem为一相电磁转矩;Pem为一相电磁功率;ω为角速度;e为反电势;ψ为磁链;i为电枢电流;N为绕组线圈圈数;Φ为磁通。

TFSRM是依靠改变其磁阻来产生电磁转矩的，其总输出转矩是各相绕组产生转矩之和。研究样机主要尺寸对TFSRM电磁转矩的影响，能优化TFSRM的主要参数，提高TFSRM的性能。如:通过增加定子凸极宽度以及增加每相对应的定子凸极数目，合理有效地控制各绕组转矩的波形分配，则可降低TFSRM的转矩脉动，使总输出转矩保持平稳，减小电机运行噪声。下面分析主要参数对TFSRM性能的影响。

2.1 定子铁心厚度Ws对输出转矩的影响

实验分析表明:TFSRM其它参数不变，只改变其定子铁心厚度，将引起TFSRM输出转矩的变化。当定子、转子铁心中心对齐时，定子铁心厚度与漏磁系数的关系如图7所示。由该图可以看出，当Ws与极距τp的比值在0.65左右时，可得到最小的漏磁系数，TFSRM输出转矩达到最大值。定子铁心太薄或太厚都会导致漏磁增加，图8为实验得出的在一对磁极下，不同Ws/τp与电磁转矩的关系曲线，当极距τp不变，定子铁心厚度增加，即Ws/τp增加时，TFSRM输出转矩将增加;但Ws＞0.86τp时，TFSRM输出转矩又逐渐降低，定子铁心厚度Ws与极距τp的比值在0.8左右时，TFSRM输出转矩最大。

2.2 极距τp对输出转矩的影响

图9为实验得出的TFSRM极距与电磁力密度之间的关系曲线。

图9 极距与电磁力密度的关系

从图9可以看出，随着TFSRM极距τp减小，其电磁力密度按比例提高，但当TFSRM极距τp过小时，其电磁力密度不再增加，反而下降。在TFSRM极距τp=24mm附近，电磁力密度取得最大值，TFSRM电磁转矩最大，当τp＜20 mm和τp＞30 mm时电磁力密度迅速下降，TFSRM电磁转矩变小。

2.3 气隙长度δ对输出转矩的影响

气隙长度δ是设计TFSRM时的一个重要参数。气隙δ的数值决定于定子内经、轴的直径和轴承间的转子长度，定子内圆和转子外圆的不同心度决定了气隙的不均匀。气隙的变化会影响TFSRM的电磁转矩、加工难度和制造成本。实验得出了在180°转子位置时TFSRM漏磁系数与其气隙长度的关系如图10所示，TFSRM输出平均转矩与其气隙长度的关系如图11所示。

由图11可知，当TFSRM气隙长度增加时，将导致其输出转矩下降。因此，为优化TFSRM性能，应通过设计磁路，使其气隙长度不能过大，但也不宜取得太小。若取得太小，将增加TFSRM的转矩波动和它的装配难度。

2.4 其它参数对输出转矩的影响

利用有限元分析，当TFSRM转子、定子外径比约在0.52时，TFSRM输出的转矩最大;另外，定义电机的等效轴向长度与极距之比为λ，TFSRM的输出转矩还受λ的影响，当λ合适时，TFSRM的输出转矩才大于相同电枢直径体积的径向磁场电机。

由于TFSRM双凸极结构和其磁路饱和的影响，合成转矩存在谐波分量，导致TFSRM输出转矩不恒定，使电机低速运行时有较大的转矩脉动，分析表明:外凸圆弧形定子结构齿极的设计能有效降低TFSRM的转矩脉动和运行噪声。

TFSRM线圈电感是转子位置角和相电流的函数，欲通过增大电感对位置角的变化率来增大TFSRM的输出转矩，需选择定子齿极数多于转子齿极数来实现。分析表明:相电感的最大值与相电流的最大值成反比，与相绕组匝数的平方成正比，因此如果减小相绕组匝数就会显著增加相电流的最大值，从而显著增加TFSRM的输出转矩。这样，可以通过增大电流来增大电磁转矩，还可通过改变绕组的通电时刻来改变转矩的方向。

3 结 语

本文对无永磁屏蔽和有永磁屏蔽的TFSRM进行了磁场分析，表明具有永磁屏蔽的TFSRM能提高输出转矩;分析了定子铁心厚度、极距、气隙长度等因素对TFSRM性能的影响，这些参数合适时TFSRM可以获得最佳性能。分析TFSRM的性能，对其应用有重要的价值。开展电机优化设计的深层次研究，进一步解决TFSRM转矩脉动大等主要性能缺陷是当前亟待解决的问题。

［1］ Chang Junghwan，Kang Dohyun.Development of transverse flux liner motor with permanent－magnet excitation for direct drive applications［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2009，41(5):1936－1939.

［2］ 赵宇，柴建云.横向磁场永磁电机性能研究［J］.电机与控制应用，2006，33(7):9－13.

［3］ 李亚旭.横向磁通电动机拓扑结构初析［J］.船电技术，2009(1):8－12.

［4］ 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，2008，23(11):164－168.

［5］ 袁琼，江建中.横向磁通永磁电机［J］.微特电机，2008，30(3):3－4.

［6］ 郑洪涛，蒋静坪.基于转矩矢量控制的开关磁阻电机转矩脉动控制［J］.微特电机，2008(1):15－17.