基于新型横向磁通永磁电机研究

陆海军

摘要：21世纪以来，社会经济迅猛发展,科学技术日新月异,横向磁通电机凭借其高转矩密度独的特优势取得了快速发展。但由于其结构比较复杂，导致在某些场合的应用受到了限制。本文通过分析研究，合理选择与确定电机重要参数、尺寸，从而获得了科学的样机电磁方案。本研究结果显示：新型横向磁通永磁电机工艺简单、能够有效适应中、小功率低速情况下进行直接驱动。

关键词：新型横向磁通；永磁电机；分析研究

0前言

目前,我国在横向磁通永磁电机领域的研究还处于起步阶段。现存的拓扑结构相关工艺相对比较复杂，不利于横向磁通永磁电机朝着小型化的方向发展。因此，当前横向磁通永磁电机大多在大功率低速驱动的情况下使用。与此同时，成本高、加工难等因素也在一定程度上制约了我国横向磁通永磁电机的广泛应用。本文将详细介绍一种新型、工艺简单且适合小功率低速进行直接驱动的横向磁通永磁电机。

1基本工作原理概述

主要磁路：开始于永磁体的N极，途径气隙，通过定子铁心，然后经过另外一侧的气隙，最后达到永磁体的S极。与普通的永磁电机进行比较、分析，新型横向磁通永磁电机的凸出特征如下：第一，电枢线圈、定子齿槽成垂直关系。电机运动方向、主磁路成垂直关系，有利于结构解耦与转矩密度高的顺利实现；第二，相与相不存在耦合，有利于进行单独控制、研究与分析；第三，绕制线圈采用同心的模式，减少了端部的损耗率，显著提高了工作效率；第四，电机结构明显简化，磁体数量也明显减少；第五，可以有效减短永磁体的轴向尺寸；第六，可以根据具体情况，随意改变线圈窗口与磁路的尺寸。这些显著优点是新型横向磁通永磁电机得以可靠、稳定运行的基础，也为新型横向磁通永磁电机在低转速、大转矩场合的应用提供了有利条件。

2磁场简介

常见永磁无刷式直流电机的极对数、转矩常数为正比例关系。横向磁通永磁电机的转矩常数、极对数平方为正比例关系。主要原因为：横向磁通永磁电机的各匝导线对电机各极都能够产生影响，但是普通电机匝导线只能够对某个特定的极产生作用。横向磁通永磁电机中大多数极对数的制作比较简单，再加上极对数平方与电磁功率为正比例的关系，能够获得足够大的转矩密度。由此可见，横向磁通永磁电机极对数的增加，对电机转矩密度的提升具有至关重要的作用，应当把它当做设计的重点。

3完善与优化设计

3.1级数与匝数

新型横向磁通永磁电机当中，每对极转子都对应了一个钉子铁心，这就为制造成为较多对极提供了便利。与此同时，即使极数发生变化，也不会对电枢导线的长度以及匝数带来影响。

一方面，如果极对数增加，会导致磁体间距变小，引发漏磁现象加重。与此同时，极对数增加，还会引发电流周期出现变短的情况，以至于对换流造成一定程度影响，减小了电枢的平均电流量；另一方面，若槽空间确定，极对数增加会加大电枢电阻对电机效率造成的影响，增强了电枢电感，一定程度上影响了换流，从而导致电机的性能明显减弱。

因此，在进行新型横向磁通永磁电机设计的时候，必须充分考虑多方面因素，并且妥善处理下面的两点矛盾：①线圈匝数同电感增加、电阻加大的内在联系与主要矛盾；②极对数与影响换流、漏磁增加的内在联系与主要矛盾。

相关调查、研究显示，小功率横向磁通永磁电机的设计中，应当立足于最大化利用永磁体这一出发点与落脚点，采取更多的极对数。通常情况下，10对为最佳，具体转速则要根据具体要求来进行确定。

3.2磁极间距、齿宽

一般情况下，横向磁通永磁电机当中的永磁体磁极的尺寸相对比较小。因此，合理、科学地确定永磁体的轴向长度与磁极间距对提升永磁体的利用效率与提高电机性能具有十分重要的意义。

主磁通并不是简单的随着永磁体轴向长度的增长而持续攀升，而是在磁极间距大于永磁体轴向长度4mm的时候，出现了其最高值。而后，永磁体轴向长度减短，主磁通出现加速下降的趋势。

这就是选择、确定永磁体轴向长度、磁极间距的理论基础与依据。但在具体实施过程中，若永磁体的轴向长度太短，会导致电机电感增加，严重影响换向。与此同时，还增加了加工难度，显著降低了机械的强度。因此，在具体设计过程中，应当使永磁体轴向长度尽量与磁极间距相接近，但是永磁体的轴向长度值不能过小。

在永磁体的磁极间距、电机极对数被确定的情况下，齿宽会对电机漏磁产生影响。一方面，若齿宽太小，会导致主磁极出现漏磁的现象；另一方面，若齿宽太大，将加重周边磁极对主磁极产生的不利影响。由此可见，合理选择并确定齿槽宽度对有效减少电机磁漏率、提升永磁利用效率具有至关重要的作用。

齿槽宽度值接近于永磁体宽度值的时候，主磁通出现峰值。其他尺寸磁极计算，结论与之相同。由此可见，在进行分析、设计的时候，应当尽量保持齿槽的宽度同永磁体的宽度一致，从而最大化的提升永磁体的利用效率与质量。

4结束语

综上所述，传统横向磁通永磁电机受其复杂结构的限制，多应用于低速、直接进行驱动的军事、工业领域。新型横向磁通永磁电机凭借其工艺简单、低成本的显著优势，将其涉足领域扩延伸到了小功率领域，促进小功率相关行业的健康、快速发展。

参考文献：

[1]宫晓,徐衍亮,冯开杰等.新型盘式横向磁通永磁电机及其空载电动势波形的解析计算[J].电工技术学报,2014,29(07):77-82.

[2]袁小庆,苏士斌,史仪凯等.横向磁通永磁电机直接转矩控制系统研究[J].西北工业大学学报,2014(03):470-474.endprint