华侨大学信息科学与工程学院重庆水利电力职业技术学院电气工程系【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，其两个齿分别对应不同极性的永磁体。电机通电后，定子磁场通过转子两边相对齐的铁心闭合。平板式结构可以分为无导磁回路和有导磁回路两种。无导磁回路结构简单如图1（a），但是永磁体利用率相对较低，一半的永磁体因没有导磁回路而产生杂散磁通，从而削弱主磁通。有导磁回路通过带辅助磁桥，可提高永磁体的利用率，但结构会较为复杂。图1（b）就是加了I形导磁回路。I形导磁回路做成特殊的三角形状，可利于减小定子磁轭和导磁回路中的杂散磁通。
Weh原型机就是一种典型的双边聚磁式横向磁场永磁机，其一相结构如图2所示。这种结构中，转子一般由铁磁材料和永磁体迭装而成，相邻永磁体极性相对形成一对极，一般采用周向磁化。定子同侧U形铁相互间距两倍极距，内外齿错开一个极距。当定子绕组通电时，定子铁心磁场通过定子的一个齿，周向穿过转子，到达另一个与之错开一个极距的齿部，形成闭合回路。与平板式相比，聚磁式的气隙磁密更高，性能参数更优，但电机结构也更复杂。
无源转子式横向磁场永磁电机最初是由加拿大Calgary大学B.EHasubek等人于1999年设计的。该设计是将聚磁式横向磁场永磁电机转子上的永磁体等效地转移到定子上，同时将转子铁心倾斜一个极距。该结构由于永磁体被移动到了定子上，减轻了转子振动对永磁体的影响，利于散热，延长了永磁体的寿命；简化了转子结构，提高了可靠性和平衡性，但是该电机也存在永磁体用量大的缺点。
磁阻式结构是去掉了永磁体，仅在定子绕组中通入电流，通过磁阻转矩使电机运动。该电机具有结构简单、成本低等优点，但同时存在转矩密度低的缺点，其拓扑结构如图3所示。
3.横向磁场永磁电机的研究现状
横向磁场永磁电机作为电力推进机的一个重要的研究方向，在国内外得到了广泛的研究，其研究方向主要集中在以下三个方面：结构优化设计，磁场计算分析和电机控制策略。
简化磁路结构和制造工艺一直是横向磁场永磁电机的研究热点。国外在H.Weh原型机的基础上，相继研发出了很多平板式和聚磁式TFPM的拓扑结构，并针对电机结构的优缺点，对电机结构进行了许多改善。相比之下，国内对横向磁场永磁电机的研究还处于起步阶段。国内许多高校和科研机构也相应提出了自己的TFPM拓扑结构。如上海大学设计了E型铁心聚磁式，沈阳工业大学设计的新型单边、卷绕式定子铁心、内置式聚磁转子结构以及华中科技大学在德国G.Henneberger平板式TFPM结构基础上改进设计出的一种外转子结构TFPM等等。
电磁场的计算分析不仅可指导电机结构的设计，而且可直接应用于TFPM的性能分析。不同于传统的电机已经形成了成熟的电机设计理论和技术，且横向磁场永磁电机磁路呈三维分布，不同于传统电机的二维场，因此需要对TFPM三维场建模进行分析。三维模型有限元计算要比二维模型数据量多很多，为了提高计算效率，在建模时，需要根据电机的结构特点，对求解模型进行合理的简化。国内针对TFPM的磁场分析提出了很多方法，有磁路解析法、有限元法以及磁路解析法和有限元相结合的方法等。
横向磁场永磁电机是一种各相绕组间相互独立的永磁同步电机，因此可认为TFPM是由n个空间对称分布，结构独立的单相同步电机构成。由变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统构成的自同步永磁电机，既具有电励磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化，若反电势波形和供电电流波形都是矩形波的电动机，则为无刷直流电动机，所以横向磁场永磁电动机的控制手段可以借鉴无刷直流电动机的控制系统。
4.横向磁场永磁电机存在的主要问题
横向磁场永磁电机虽具有高转矩密度和高效率等优点，但同时也存在以下缺点：结构和制造工艺复杂、漏磁严重、自定位转矩大和功率因数低。对于结构和制造工艺复杂以及漏磁严重的问题需从对电机本体优化设计来进行改善。而自定位转矩大和功率因素低既可通过电机本体的优化设计，也可以通过采取有效的控制手段调节达到。下面主要阐述自定位转矩问题和功率因数低的问题。
4.1 自定位转矩问题
TFPM的自定位转矩是由转子永磁体与定子齿槽相互作用而产生的，该力矩力图使电机转子定位于某一位置，其随转子空间位置的变化而呈周期性变化。自定位转矩的变化频率是电磁力矩基波的两倍，采取多相结构既可以提高电机输出转矩，又可以造成部分自定位力矩的相互抵消。要最大限度地抑制自定位力矩，各相定转子间相位必须有恰当的错位设计[4]。在电动汽车、舰船推进及风力发电等对转矩平稳性能要求较高的场合，自定位转矩的有效抑制是提高横向磁场电机驱动性能的关键之一。
4.2 功率因数低的问题
TFPM的高转矩输出优点伴随着低的功率因数，虽然通过电磁优化设计可以提高功率因数，但其改善性能不佳[5]。横向磁场电机的磁通量比一般为1.6-2.6之间，因此在使用无刷驱动方式时，其功率因数只有0.35-0.55，而传统电机的功率因数接近1。功率因数低导致驱动TFPM的逆变器的台数和容量大增，系统成本也就大增，从而限制了TFPM的应用范围。
5.横向磁场永磁电机的应用前景
综上所述，横向磁场电机因其多样的结构形式和低速、大转矩特性正得到越来越多的关注，其应用领域也日益扩展，从大功率的船用电力推进到小功率的电动车驱动，从直接驱动的电动机到直接驱动的横向磁场风力发电机的研究，从旋转型到直线型横向磁场电机等等。目前国际上关于横向磁场电机及其控制系统的研究虽然在电机模型建立、电机参数计算、分析方法以及控制策略等基础理论方面取得了初步进展，但是对于其结构和制造工艺复杂、漏磁严重、自定位转矩大和功率因数低等问题还有待于进一步解决。随着研究的进一步深入，横向磁场电机将会在电力推进、低速直接驱动、伺服传动和风力发电等领域取得突破性的进展，因此横向磁场电机的研究具有重要的理论价值和实用价值。
参考文献
[1]H.Weh and H.May,Achievable Force Densities for Permanent Magnet Excited Machines in New Configurations,Proceedings of the International Conference on Electrical Machines,1986.
[2]H Weh,H Hoffman and J Landrath,New Permanent Magnet Excited Synchronous Machine with High Efficiency at Low Speeds,Proceedings of the International Conference on Electrical Machines,1988.
[3]江建中,李永斌,施进浩.横向磁场永磁电机的研究与发展现状[J].微特电机,2003(5):3-5.
[4]王建宽.横向磁场永磁电机及其驱动系统研究[D].上海:上海大学,2007.
[5]M R Harris,G H Pajooman,S M Abu Sharkh.The Problem of Power Factor in VRPM Transverse Flux Machines.EMD of IEE,1997:386-390.