蘭志勇　徐　琛　王　琳　王　波　李　理

（湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院，湖南 湘潭　411105）

橫向磁通發(fā)電機(jī)（transverse flux machine, TFM）是由德國(guó)不倫瑞克理工大學(xué) Herbert Weh教授最先提出的[1]。橫向磁通，指發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向垂直于磁力線所在的平面[2-3]。橫向磁通發(fā)電機(jī)空間設(shè)計(jì)靈活，具有相互解耦的磁負(fù)荷和電負(fù)荷，從根本上提高了傳統(tǒng)永磁發(fā)電機(jī)功率密度。此外，該種發(fā)電機(jī)各部分拼裝而成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，且各相之間相互獨(dú)立，易于實(shí)現(xiàn)多相多極結(jié)構(gòu)，使其特別適用于低速、直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域[4]。

目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)于橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行了相當(dāng)深入的研究，提出了很多新型的橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)[5-7]。印度Nirma大學(xué)的學(xué)者在對(duì)永磁體和定子鐵心之間的漏磁進(jìn)行了研究，提出一種適用于直接驅(qū)動(dòng)的橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，通過(guò)三維有限元分析表明，新型結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)的主要性能參數(shù)相比常規(guī)橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)有較大提升[8]。南非 North-West大學(xué)的學(xué)者同樣為了解決定子鐵心與永磁體之間高磁通量的泄漏，將發(fā)電機(jī)的定子分為內(nèi)外兩個(gè)部分，提出一種具有雙繞組的橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)并研制出樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)[9]。橫向磁通電動(dòng)機(jī)在低速風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)也引起了國(guó)內(nèi)高校學(xué)者的關(guān)注。合肥工業(yè)大學(xué)李紅梅教授等人，提出一種無(wú)輔助定子的聚磁式TFPMM拓?fù)?，并通過(guò)有限元分析驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的合理性[10]。江蘇大學(xué)的學(xué)者基于獨(dú)特的定子鐵心結(jié)構(gòu)，提出一種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單便于模塊化的橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)[11]。

大部分的橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)按照轉(zhuǎn)子永磁體的放置方式進(jìn)行分類，可分為表面安裝式和聚磁式兩種。表面安裝式橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)對(duì)于永磁體利用率不高，輸出同樣的功率需要更大的體積[12]。聚磁式橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，相比較一般永磁發(fā)電機(jī)鐵心發(fā)熱量要大，工藝制造更復(fù)雜，效率較低[13]。

本文在文獻(xiàn)[14]中提出的新型永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合磁通切換和橫向磁通的原理，提出了一種徑向充磁雙繞組橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)（radiallymagnetized dual winding transverse flux permanent magnet generator, RMDW-TFPMG）結(jié)構(gòu)。該發(fā)電機(jī)巧妙地利用空間結(jié)構(gòu)，采用單轉(zhuǎn)子雙定子結(jié)構(gòu)，使其具有兩個(gè)繞組，提高了永磁體的利用率。本文首先介紹了RMDW-TFPMG的基本結(jié)構(gòu)和原理，在此基礎(chǔ)上根據(jù)類似傳統(tǒng)永磁發(fā)電機(jī)經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)出RMDW- TFPMG的功率尺寸方程，最后借助ANSYS Maxwell軟件對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)場(chǎng)分析，得到氣隙磁密、空載磁鏈、空載反電勢(shì)等參數(shù)，驗(yàn)證了所提出的新結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)的合理性。

1　RMDW-TFPMG的基本結(jié)構(gòu)和原理

1.1　RMDW-TFPMG的基本結(jié)構(gòu)

圖1顯示了由定子整體和轉(zhuǎn)子整體兩部分組成的RMDW-TFPMG基本結(jié)構(gòu)圖，其中定子整體包括兩個(gè)定子鐵心組，每個(gè)定子鐵心組由若干個(gè)沿圓周方向均勻分布的定子鐵心組成，定子鐵心組的繞組槽中設(shè)有電樞繞組；轉(zhuǎn)子整體包括若干沿圓周方向均勻布置的轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子鐵心置于兩個(gè)定子鐵心組之間，一對(duì)永磁體嵌裝在每個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心中，相鄰轉(zhuǎn)子鐵心中永磁體極性相反。該發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有：

圖1　RMDW-TFPMG的結(jié)構(gòu)圖

1）該發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)巧妙地利用了空間結(jié)構(gòu)，采用單轉(zhuǎn)子雙定子結(jié)構(gòu)，可以有效避免永磁體無(wú)效的情況，從而調(diào)高了永磁體的利用率，提高了發(fā)電機(jī)的功率密度。

2）定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心均采用硅鋼片疊制而成，有效地提高了發(fā)電機(jī)的氣隙磁通密度。

3）定子整體和轉(zhuǎn)子整體均是由模塊化拼裝而成，在電磁場(chǎng)有限元計(jì)算時(shí)可以采用1對(duì)極模型來(lái)反應(yīng)發(fā)電機(jī)的特性，減少了計(jì)算量從而減少計(jì)算時(shí)間，使結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單可靠，且便于發(fā)電機(jī)的加工與制造。

1.2　RMDW-TFPMG的原理

圖2給出了RMDW-TFPMG的運(yùn)行原理。將定子整體中的兩個(gè)定子鐵心組分別命名為A繞組定子鐵心組和B繞組定子鐵心組。圖2（a）中，A繞組定子鐵心組中的相鄰定子鐵心外齒分別與轉(zhuǎn)子齒中的左側(cè)轉(zhuǎn)子鐵心和右側(cè)轉(zhuǎn)子鐵心在徑向上平齊，且同一轉(zhuǎn)子齒下兩塊永磁體的磁化方向相反。這一時(shí)刻A繞組定子鐵心組中的定子鐵心的磁通方向均為逆時(shí)針。同時(shí)，B繞組定子鐵心組中的相鄰定子鐵心外齒分別與轉(zhuǎn)子齒的右側(cè)轉(zhuǎn)子鐵心和左側(cè)轉(zhuǎn)子鐵心在徑向上平齊，B繞組定子鐵心組中的定子鐵心的磁通方向也均為逆時(shí)針。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位于圖 2（b）所示位置時(shí)，A繞組定子鐵心組中的相鄰定子鐵心外齒變?yōu)榉謩e與轉(zhuǎn)子齒的右側(cè)轉(zhuǎn)子鐵心和左側(cè)轉(zhuǎn)子鐵心在徑向上平齊，而B(niǎo)繞組定子鐵心組中的相鄰定子鐵心外齒變?yōu)榉謩e與轉(zhuǎn)子齒的左側(cè)轉(zhuǎn)子鐵心和右側(cè)轉(zhuǎn)子鐵心在徑向上平齊。這一時(shí)刻，A、B兩個(gè)定子鐵心組中定子鐵心的磁通方向均變?yōu)轫槙r(shí)針。因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)以一定角速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，永磁體極性持續(xù)有規(guī)律改變使定子鐵心中磁通呈周期性變化，使位于定子槽中的電樞繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。

圖2　RMDW-TFPMG的運(yùn)行原理

2　RMDW-TFPMG的電磁計(jì)算

2.1　主要尺寸計(jì)算

本文中發(fā)電機(jī)的主要尺寸標(biāo)注如圖3所示。設(shè)RMDW-TFPMG中A繞組的電流頻率為

式中，P為發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)，n為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖3　RMDW-TFPMG主要尺寸標(biāo)注

當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)，其輸出功率為[15]

式中，m為發(fā)電機(jī)中電樞繞組的相數(shù)；outU為輸出電壓的有效值；outI為輸出電流的有效值；η為功率因數(shù)。

僅考慮基波分量，發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)為

式中，N為每相電樞繞組匝數(shù)；wk為繞組因數(shù)，這種發(fā)電機(jī)繞組因數(shù)為1；totalφ為每相總磁通幅值。

式中，發(fā)電機(jī)主磁路中氣隙磁密平均值為gavB，發(fā)電機(jī)的極數(shù)2P和所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子齒面積tS，其中：

式中， Ws為轉(zhuǎn)子鐵心周向長(zhǎng)度； lt為轉(zhuǎn)子齒徑向長(zhǎng)度； ks為極弧系數(shù)； Dg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)徑； kl為轉(zhuǎn)子齒徑向長(zhǎng)度與發(fā)電機(jī)總徑向長(zhǎng)度的比值。

定義比例系數(shù) ku=E Uout，聯(lián)立式（1）至式（7）可得

將總徑向長(zhǎng)度sl與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)徑gD之比定義為λ

2.2　磁路部分

發(fā)電機(jī)的等效磁路[16]如圖4所示。圖中忽略邊緣漏磁簡(jiǎn)化磁路分析。兩塊永磁體的磁動(dòng)勢(shì)分別為

式中，cH為永磁體的矯頑力；pml為永磁體徑向長(zhǎng)度。

圖4　RMDW-TFPMG的等效磁路圖

圖4中， R01和 R02分別代表兩塊永磁體在各自主磁路中磁阻； Rσ1和 Rσ2代表在各自主磁路中的漏磁阻； Rg1、 Rg2表示B繞組所在主磁路中的氣隙磁阻，Rg3、Rg4表示A繞組所在主磁路中的氣隙磁阻；Rfe1為A、B兩繞組所在主磁路中轉(zhuǎn)子鐵心的磁阻；Rfe2、 Rfe3分別代表 B繞組所在主磁路中定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心的磁阻； Rfe4、 Rfe5分別代表 A繞組所在主磁路中定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心的磁阻。

式中，0μ、feμ和pmμ分別代表真空、硅鋼片和永磁體的磁導(dǎo)率；pmS、gS分別代表永磁體和氣隙的等效面積。

3　RMDW-TFPMG的有限元分析

3.1　RMDW-TFPMG三維模型的建立

本文的應(yīng)用背景是設(shè)計(jì)一臺(tái)空載狀態(tài)下輸出反電動(dòng)勢(shì)為400V的橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)。因?yàn)锳、B兩繞組所對(duì)應(yīng)的定子鐵心組各部分尺寸和材料均相同且 A、B兩個(gè)電樞繞組的截面積和在定子鐵心槽中的位置也相同，雖然一個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心中的永磁體呈徑向分布，產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)大小不盡相同，但在圓周方向上各對(duì)級(jí)之間呈交錯(cuò)排列，所以從整個(gè)角度上來(lái)看，A、B兩個(gè)電樞繞組在相同條件下產(chǎn)生的空載反電動(dòng)勢(shì)相同，即各產(chǎn)生 200V的空載反電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)式（3）可得到有效磁通值所走的路線是，從轉(zhuǎn)子鐵心出發(fā)到氣隙1，再到定子鐵心，再到氣隙2，最后回到轉(zhuǎn)子鐵心。假設(shè)在定子鐵心路徑中截面較窄處平均磁密為1.6T，截面較寬處平均磁密為1.4T，氣隙磁密平均值為1.0T，轉(zhuǎn)子鐵心平均磁密為1.2T。轉(zhuǎn)子鐵心和定子鐵心采用同軸心設(shè)計(jì)且各對(duì)應(yīng)部分徑向長(zhǎng)度和軸向長(zhǎng)度相等。RMDW- TFPMG的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　RMDW-TFPMG主要參數(shù)

通過(guò)上面的參數(shù)先在SOLIDWOKS中建立各部分內(nèi)側(cè)的弧長(zhǎng)，然后通過(guò)等距實(shí)體以及拉伸變換形成各部分模型，再將各部分裝配形成RMDW-TFPMG的結(jié)構(gòu)。由于RMDW-TFPMG采用聚磁式的結(jié)構(gòu)，所以在每個(gè)鐵心組中鐵心內(nèi)齒相比較外齒更容易達(dá)到磁飽和。為了使發(fā)電機(jī)性能達(dá)到最佳，鐵心內(nèi)齒和外齒采用不同的徑向長(zhǎng)度。

3.2　RMDW-TFPMG與RM-TFPMG功率密度對(duì)比

橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)相比其他常規(guī)永磁發(fā)電機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)是其具有較大的功率密度?？紤]到兩相發(fā)電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中范圍并不廣泛，故本文中采用單相雙繞組設(shè)計(jì)。下面就功率密度對(duì)徑向充磁雙繞組橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)（RMDW-TFPMG）和徑向充磁單繞組橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)（RM-TFPMG）進(jìn)行對(duì)比，從而反映RMDW-TFPMG結(jié)構(gòu)中采用雙繞組的優(yōu)勢(shì)。

圖5　RM-TFPMG空載反電動(dòng)勢(shì)

圖6　RMDW-TFPMG空載反電動(dòng)勢(shì)

在相同條件下可以看出，徑向充磁單繞組橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)和徑向充磁雙繞組橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)空載時(shí)電樞繞組反電動(dòng)勢(shì)的幅值相同。當(dāng)RM-TFPMG與RMDW-TFPMG在相同負(fù)載情況下，RMDW-TFPMG兩相功率之和的值相比單相功率的值更大。由于RMDW-TFPMG采用雙繞組結(jié)構(gòu)，在RM-TFPMG的基礎(chǔ)上只增加了定子鐵心組而未增加永磁體，所以該結(jié)構(gòu)相比徑向充磁單繞組橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，提高了發(fā)電機(jī)的功率密度。

3.3　發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)分析和特性計(jì)算

由于每個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心中的一對(duì)永磁體在徑向方向上充磁，所以一個(gè)鐵心下的一對(duì)永磁體的磁動(dòng)勢(shì)并不完全相同，導(dǎo)致了氣隙磁密曲線中的正負(fù)幅值并不完全相同。另外，徑向充磁結(jié)構(gòu)本身就具有聚磁效應(yīng)，導(dǎo)致了內(nèi)齒鐵心下的氣隙磁密大于外齒鐵心下的氣隙磁密。從圖7中可以看出，內(nèi)齒鐵心下的最大氣隙磁密達(dá)到了2.0T，而外齒鐵心下的最大氣隙磁密略大于1.4T。

圖7　內(nèi)、外齒鐵心下氣隙磁密

圖8為磁鏈最小值與最大值位置時(shí)三維磁場(chǎng)分布。從圖8可以看出，在電樞繞組磁鏈最大值的位置時(shí)，定轉(zhuǎn)子鐵心中磁密的最大值不到為1.6T，處于未飽和但接近于飽和的狀態(tài)，這時(shí)候的空載狀態(tài)下的RMDW-TFPMG接近最佳發(fā)電狀態(tài)。

從圖9可以看出，在空載狀態(tài)下，徑向充磁橫向磁通雙繞組橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)的一個(gè)周期內(nèi)的磁鏈最大值為 1.0Wb，一個(gè)電樞繞組產(chǎn)生的感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)最大值為300V，基本滿足前期的設(shè)計(jì)要求。

圖8　磁鏈最大值與最小值位置時(shí)三維磁場(chǎng)分布

圖9　RMDW-TFPMG空載電樞繞組磁鏈和反電動(dòng)勢(shì)

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)RMDW-TFPMG結(jié)構(gòu)在氣隙長(zhǎng)度0.3mm，極弧系數(shù)為0.75條件下建模，磁路計(jì)算出主磁通為2.136×10-4Wb，根據(jù)有限元空載感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)的結(jié)果可計(jì)算出主磁通為 2.81×10-4Wb，誤差率在 20%左右。

本文提出一種徑向充磁雙繞組橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)。首先詳細(xì)介紹了其基本結(jié)構(gòu)和原理；在闡述該種發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理之后，類比傳統(tǒng)永磁發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)得到該發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)；最后，基于三維有限元分析軟件，仿真得到了發(fā)電機(jī)空載時(shí)電磁特性，可得出以下結(jié)論：

1）對(duì)比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，徑向充磁雙繞組橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電路和磁路空間上互相解耦。

2）相比較前期的徑向充磁單繞組橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)，徑向充磁雙繞組橫向磁通永磁發(fā)電機(jī)中永磁體利用率高，發(fā)電機(jī)功率密度大。

3）通過(guò)磁路和有限元計(jì)算結(jié)果來(lái)看，相比傳統(tǒng)永磁發(fā)電機(jī)二者還具有較大差距。下一步應(yīng)考慮采用更準(zhǔn)確的路算方法對(duì)橫向磁通結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行計(jì)算。