【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 磁通就可以從轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)氣隙進(jìn)入定子的一個(gè)齒部，從另一個(gè)齒部流出，穿過(guò)氣隙再回到轉(zhuǎn)子，然后通過(guò)磁橋，形成回路。 橫向磁通電機(jī) 前視圖磁路走向 右視圖磁通密度分布圖。在橫向磁通電機(jī)中，磁場(chǎng)呈3D分布。在轉(zhuǎn)子和定子鐵心的齒部，磁通沿徑向平面流通，而在定子鐵心的扼部磁通沿軸向流通，流通方向相互垂直，無(wú)法簡(jiǎn)化為2D平面內(nèi)的電磁場(chǎng)分析，為此，對(duì)橫向磁通電機(jī)進(jìn)行三維電磁場(chǎng)分析與計(jì)算。 橫向磁通電動(dòng)機(jī)(AFM)的拓?fù)漕愋蛷亩ㄞD(zhuǎn)子的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類，AFM可分為單邊布局和雙邊布局兩種類型[5]。（1） 單邊布局:僅在轉(zhuǎn)子徑向一側(cè)布置定子極片。為減少磁通脈動(dòng)，并使渦流損耗最小，對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加定子橋。，此種結(jié)構(gòu)在定子齒上加裝永磁體，避免氣隙磁漏，有助于提高功率密度。[13] Jeong Y H. Kang D H. A design of transverse flux motor with permanent magnet shield[C]. ISIE 2001，Pusan, Korea 995999. [5] 李亞旭. 橫向磁通電動(dòng)機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)初析[J]. ,(1):812. 單邊AFM 帶定子橋的單邊AFM 帶屏蔽永磁體的單邊AFM（2） 雙邊布局:轉(zhuǎn)子徑向內(nèi)側(cè)和外側(cè)都布置有定子極片。 雙邊AFM，難以適應(yīng)多相電機(jī)，（a）所示的改進(jìn)型，并改變形狀能使磁通從同一個(gè)轉(zhuǎn)子輪緣的相鄰磁體間穿過(guò)，為了減少磁通在鐵芯中的畸變，從而盡量減少鐵損耗，鐵芯形狀改變?yōu)镃形，并且為了簡(jiǎn)化電機(jī)的裝配上藝，同時(shí)克服上述缺點(diǎn)，C形鐵芯改變?yōu)橛绍洿藕铣刹牧?SMC)制造，（b）所示。①轉(zhuǎn)子軟鐵②C形芯定子③繞組④SMC材料磁路 (a)C形疊層芯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(b)SMC材料磁路的C形芯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 改進(jìn)的雙邊AFM 橫向磁通SR電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理橫向磁通SR電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由SR電動(dòng)機(jī)、功率變換器、控制器、位置檢測(cè)器四大部分組成。功率變換器SR電動(dòng)機(jī)電流檢測(cè)位置檢測(cè)控制器速度給定機(jī)械輸出電源 橫向磁通SR電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)組成功率變換器向SR電動(dòng)機(jī)提供運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能量，它由功率開(kāi)關(guān)器件組成。由于SR電動(dòng)機(jī)繞組電流是單向的，使得其功率變換器主電路不僅簡(jiǎn)單，而且可防止變換器發(fā)生短路故障。 四相SR電動(dòng)機(jī)的 (a)定轉(zhuǎn)子相對(duì)位置(b)相電感隨轉(zhuǎn)子位置功率變換器主電路 變化(c)一定電流下轉(zhuǎn)矩隨位置變化 相電感轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置變化控制器是系統(tǒng)的中樞，它綜合處理速度指令、速度反饋信號(hào)及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中功率開(kāi)關(guān)器件Sa,Sb,Sc,Sd的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。通常SR電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩由下式計(jì)算[16]: （）式中:θ轉(zhuǎn)子位置角；i繞組電流；W磁共能；T轉(zhuǎn)矩。(a)的簡(jiǎn)化線性模型，式(1)可簡(jiǎn)化為式(2)。即: （）在式()中，定、轉(zhuǎn)子極靴在圓周上的寬度為，相繞組在恒定電流i的作用下，(a),(b)所示。SR電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向不受電流方向的影響，僅取決于電感隨轉(zhuǎn)角的變化。若，繞組產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩:若。繞組則產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩。因此，通過(guò)控制如到SR電動(dòng)機(jī)繞組中電流脈動(dòng)的幅值、寬度及與轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，即可控制SR電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小以及方向。Ta,Tb,Tc,Td為各相理想轉(zhuǎn)矩，T為四相合成轉(zhuǎn)矩。顯然合成轉(zhuǎn)矩要比[16] Kang D H, Jeong Y H. A study on the design of transverse flux linear motor with high power density [C]. ISIE 2001, Pusan, Korea 701707.傳統(tǒng)四相SR電動(dòng)機(jī)大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)要小得多。在這一點(diǎn)上，傳統(tǒng)的SR電動(dòng)機(jī)是無(wú)法做到的。 四相橫向磁通SR電動(dòng)機(jī)合成轉(zhuǎn)矩 橫向磁通電機(jī)的磁場(chǎng)分析電機(jī)電磁場(chǎng)數(shù)值分析下要采用有限元法、邊界元法和有限差分法。其中最有效、目前應(yīng)用最廣泛的是有限元法。ANSYS是目前被廣泛采用的一種有限元分析軟件，其應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，主要包括力學(xué)分析、熱與溫度場(chǎng)分析、電磁場(chǎng)分析等。ANSYS電磁場(chǎng)分析的基本思想和原理是將所處理的對(duì)象首先劃分成有限個(gè)單元(包括若干個(gè)節(jié)點(diǎn))，然后根據(jù)矢量磁勢(shì)和標(biāo)量電勢(shì)求解一定邊界條件和初始條件下每一節(jié)點(diǎn)處的磁勢(shì)或電勢(shì)。通過(guò)電磁場(chǎng)的解后處理，以求得的電勢(shì)和磁勢(shì)為基礎(chǔ)，可以得到其它電磁場(chǎng)物理量，如磁力線分布、磁感應(yīng)強(qiáng)度、電位移通量、電磁場(chǎng)能量、電磁場(chǎng)力、力矩、電感和電容等。ANSYS的主要分析過(guò)程如下:（1） 建立幾何模型（2） 創(chuàng)建物理環(huán)境，對(duì)模型的各部分賦予特性（3） 對(duì)求解區(qū)域用選定的單兒進(jìn)行網(wǎng)格剖分（4） 施加邊界條件和載荷（5） 進(jìn)行求解（6） 后處理本設(shè)計(jì)通過(guò)ANSYS模擬了橫向磁通電機(jī)定子鐵心與磁體在不同位置下的磁場(chǎng)分布，找出了電機(jī)空載時(shí)定子扼部磁密的變化，并繪制了相應(yīng)的曲線。 有限元模型與求解由于電機(jī)在空載運(yùn)行的情況下，磁場(chǎng)對(duì)稱分布，因此只對(duì)1個(gè)極距下的電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了磁場(chǎng)計(jì)算，這樣即使結(jié)果具有代表性，同時(shí)又節(jié)省了大量的計(jì)算時(shí)間。設(shè)計(jì)中采用ANSYS剖分工具中的三角形自由剖分。可以看到，在氣隙處已作了細(xì)化剖分。定子扼部纏有線圈，在ANSYS中對(duì)于作為電流源的線圈并不視為真正的有限元，而是用偽單元來(lái)表示形狀和位置，因此不對(duì)其進(jìn)行剖分。設(shè)計(jì)中對(duì)該有限元模型加載周期性邊界條件，進(jìn)行電磁場(chǎng)求解，得到了該模型磁通密度分布圖，,。 剖分結(jié)果 前視圖磁通密度分析 磁場(chǎng)分析與計(jì)算設(shè)計(jì)的橫向磁通電機(jī)內(nèi)部存在三維交變電磁場(chǎng)，磁路結(jié)構(gòu)和漏磁路均十分復(fù)雜，漏磁通所占比例較大。要想準(zhǔn)確地弄清楚它在空間的分布情況和隨時(shí)間的變化規(guī)律，從而求出電機(jī)的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能，采用傳統(tǒng)的等效磁路的方法比較困難。因此，設(shè)計(jì)中采用ANSYS直接求解電磁場(chǎng)的方法來(lái)求出磁場(chǎng)分布，分析電機(jī)的性能。利用公式: ()求出了電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)并繪出相應(yīng)的曲線。其中，φ中為與線圈交鏈部分的磁通。傳統(tǒng)的等效磁路法無(wú)法精確地求出此時(shí)的φ，而是采用氣隙磁通作近似代替。利用ANSYS在纏繞線圈部分的定子鐵心處截取一平面能夠求出穿過(guò)此平面的磁通。，求取穿過(guò)該截面的磁通，然后利用公式()求出空載電動(dòng)勢(shì)。設(shè)計(jì)中將定子鐵心位于轉(zhuǎn)子永磁體中間時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角設(shè)為零度。，當(dāng)定子鐵心位于永磁體中間時(shí)，轉(zhuǎn)子聚磁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁通進(jìn)入定子鐵心的數(shù)量最大，因此定子扼部的氣隙磁密最大。隨著定子鐵心偏離中心位置，電機(jī)漏磁通變大，定子中的磁密越來(lái)越小，而當(dāng)其進(jìn)入下一極時(shí)，定子中的磁密又開(kāi)始反向增大。，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)與磁通在空間上正好相差900。此時(shí)，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并不是呈正弦分布，這是因?yàn)槌ㄍ猓€存在有一系列的高次諧波。 磁通密度曲線圖 空載反電勢(shì)曲線圖 徑向磁通電動(dòng)機(jī)和橫向磁通電動(dòng)機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較多數(shù)大型電機(jī)采用徑向磁通結(jié)構(gòu)。然而，對(duì)于低速和空間有限的情況，其轉(zhuǎn)矩不能滿足此要求。關(guān)于橫向磁通電機(jī)，是將繞組的物理位置轉(zhuǎn)移，即從圍繞氣隙變?yōu)樘幱诨」岸瞬?。其繞組形式和徑向磁通電機(jī)一樣，其磁路和電路同樣爭(zhēng)奪同一塊空間。但橫向磁通電機(jī)與徑向磁通電機(jī)性能上的不同點(diǎn)在于轉(zhuǎn)矩，徑向磁通電機(jī)轉(zhuǎn)矩與導(dǎo)體沿半徑跨度的立方成比例。 徑向橫向推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)比較類型橫向橫向徑向徑向勵(lì)磁方式永磁永磁永磁感應(yīng)功率(MW)20202020速度(drain)180180180180力密度(kN/m2)120100100100重量(噸)40658070轉(zhuǎn)向器(MVA)5025（資料來(lái)源：李亞旭. 橫向磁通電動(dòng)機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)初析[J].,(1):812.） 徑向橫向磁通電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用對(duì)于傳統(tǒng)的通用型SRD產(chǎn)品（供一般工業(yè)用，如風(fēng)機(jī)、泵、卷繞機(jī)、壓縮機(jī)等），還生產(chǎn)許多有特殊用途、特殊性能的SRD產(chǎn)品，應(yīng)用的領(lǐng)域大致有下列幾方面。 原動(dòng)機(jī)裝置電能是現(xiàn)代大量應(yīng)用的一種能量形式，而電能的生產(chǎn)、變換、傳輸、分配、使用和控制等，都必須利用電機(jī)這種進(jìn)行能量變換或訊號(hào)變換的電磁裝置。因此，電動(dòng)機(jī)作為機(jī)械化、電氣化和自動(dòng)化的原動(dòng)機(jī)，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)研究和人民物質(zhì)文明生活的各個(gè)領(lǐng)域，例如電動(dòng)機(jī)在汽車上的應(yīng)用情況。20世紀(jì)末以來(lái)，由于功率電子學(xué)、微電子學(xué)、控制論、精密機(jī)械制造技術(shù)等先進(jìn)學(xué)科的滲透，使各類電機(jī)成為各種機(jī)電系統(tǒng)中一個(gè)較為重要的元件。20世紀(jì)的特點(diǎn)是由電氣化時(shí)代進(jìn)入原子能、計(jì)算機(jī)及自動(dòng)化時(shí)代，它不僅對(duì)電機(jī)提出了諸如性能良好、運(yùn)行可靠、單位容量輕、體積小等方面愈來(lái)愈多的要求，而且隨著自動(dòng)控制系統(tǒng)和計(jì)算裝置的發(fā)展，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的理論基礎(chǔ)上，發(fā)展出多種高可靠性、高精度、快速響應(yīng)的控制電機(jī)，成為電機(jī)學(xué)科的獨(dú)立分支。 微特電機(jī)20世紀(jì)90年代以來(lái)，日本的小電機(jī)產(chǎn)量受到電子產(chǎn)品、通訊產(chǎn)品、家用電器、轎車等行業(yè)的刺激，迅速得到發(fā)展，年產(chǎn)量達(dá)到全球產(chǎn)量的80%以上，1995年生產(chǎn)了32億臺(tái)，占全球產(chǎn)量的83%，產(chǎn)值達(dá)75億美元，幾乎壟斷了全球市場(chǎng)。日本以外的產(chǎn)量大小依次排序?yàn)椋褐袊?guó)、馬來(lái)西亞、菲律賓、泰國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)、印尼、西班牙、新加坡等地。微特電機(jī)是電機(jī)的一個(gè)主要分支，20世紀(jì)末以來(lái)，直線電機(jī)、低速電機(jī)、超聲波電機(jī)、DH電機(jī)及其它微電機(jī)發(fā)展迅速。微特直線電機(jī)多采用在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為伺服電動(dòng)機(jī)，或者作為一種執(zhí)行元件使用。近年來(lái)，隨著自動(dòng)控制技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，對(duì)各類自動(dòng)控制系統(tǒng)的定位精度提出了更高的要求。在這種情況下，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)再加上一套變換機(jī)構(gòu)組的直線運(yùn)動(dòng)裝置，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求。近十年來(lái)，電力推進(jìn)在游輪等商用方面的應(yīng)用已日趨流行，軍事上，不僅在潛艇上應(yīng)用，而且已向水面戰(zhàn)艦方面迅速發(fā)展，但制約其進(jìn)一步發(fā)展的因素之一是推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的有限安裝空間。因而高轉(zhuǎn)矩、小體積的推進(jìn)電機(jī)至關(guān)重要。隨著電力電子開(kāi)關(guān)器件和永磁體材料的良好發(fā)展，橫向磁通電動(dòng)機(jī)的新型結(jié)構(gòu)悄然出現(xiàn)，目前正受到前所未有的關(guān)注。從2005年幾個(gè)電子產(chǎn)品產(chǎn)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，可以預(yù)測(cè)微特電機(jī)市場(chǎng)的巨大空間：（1） （2） DVD錄像機(jī)全球達(dá)到1400萬(wàn)臺(tái)（3） （國(guó)內(nèi)1．3億臺(tái)）（4） 數(shù)碼相機(jī)全球產(chǎn)量5000萬(wàn)臺(tái)（5） 汽車電子產(chǎn)品出現(xiàn)快速發(fā)展2005年中國(guó)汽車年產(chǎn)量達(dá)420萬(wàn)輛，20062008年將有較大發(fā)展趨勢(shì)。預(yù)計(jì)2007年汽車電子產(chǎn)品市場(chǎng)需求額達(dá)750億元，可想其所需配套的微特電機(jī)數(shù)量相當(dāng)可觀。（6） 小家電市場(chǎng)正顯示旺銷態(tài)勢(shì)品種繁多的小家電已成為現(xiàn)代人生活的必需品，今后23年仍將是我國(guó)小家電發(fā)展的黃金時(shí)期，需求量每年以30％以上速度上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，目前一些發(fā)達(dá)國(guó)家的小家電產(chǎn)品近200種，而國(guó)內(nèi)還不到100種，可開(kāi)發(fā)的市場(chǎng)很大。（7）我國(guó)是微特電機(jī)出口大國(guó)，國(guó)際微特電機(jī)市場(chǎng)大。隨著科技的發(fā)展，未來(lái)微特電機(jī)涉及的學(xué)科將更加廣泛，其發(fā)展趨勢(shì)將是集成和優(yōu)化。同時(shí)，微特電機(jī)將向著生物領(lǐng)域和芯片領(lǐng)域進(jìn)軍。微特電機(jī)行業(yè)也將隨著新技術(shù)、新材料的采用而注入更強(qiáng)的生命力。 第4章 橫向磁通開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)是電機(jī)(及其系統(tǒng))獲得最佳性能價(jià)格比的重要手段，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)化設(shè)計(jì)這一現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法愈來(lái)愈受到電機(jī)工程技術(shù)人員的重視。SRM作為調(diào)速型電機(jī)，其設(shè)計(jì)過(guò)程不僅要考慮電機(jī)本體的性能指標(biāo)，而且還要滿足整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。實(shí)現(xiàn)SRM的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅是追求電機(jī)本體性能指標(biāo)最佳化的手段，也是這類調(diào)速型電機(jī)及其系統(tǒng)獲得最佳驅(qū)動(dòng)性能的需要。SRM的優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于帶多個(gè)不等式約束的非線性規(guī)劃問(wèn)題，對(duì)于非線性約束問(wèn)題，通常將其轉(zhuǎn)化為一系列無(wú)約束最優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解。SUMT罰函數(shù)法是電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛和成熟的方法之一。然而，該方法有一個(gè)固有的缺點(diǎn)，即在優(yōu)化過(guò)程中，受罰因子r的影響太大。不恰當(dāng)?shù)牧P因子，會(huì)導(dǎo)致增廣目標(biāo)函數(shù)病態(tài)，從而影響尋優(yōu)的正常進(jìn)行。對(duì)每一臺(tái)電機(jī)，不同的罰因子初始取值，往往會(huì)得出不同的優(yōu)化結(jié)果。 橫向開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于AFSRM電機(jī)的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電機(jī)不同，所以普通電機(jī)的設(shè)計(jì)方法不再適合AFSRM電機(jī)，但在設(shè)計(jì)AFSRM電機(jī)時(shí)，一般也是采用場(chǎng)路結(jié)合的方法。在路的設(shè)計(jì)中，首先選擇定、轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)目并確定極弧和轉(zhuǎn)矩的比值，再由轉(zhuǎn)矩、功率等參數(shù)確定尺寸，最后設(shè)計(jì)勵(lì)磁繞組。采用場(chǎng)的方法設(shè)計(jì)時(shí)，在作如下假設(shè)的基礎(chǔ)上，可采用二維有限元法計(jì)算。假設(shè):①忽略磁滯效應(yīng)；②鐵心各向同性；③忽略端部效應(yīng)；④定子外圓與轉(zhuǎn)子內(nèi)圓為零矢量磁位面。由于這種方法作了許多假設(shè)，使得計(jì)算結(jié)果有較大偏差，但與三維有限元方法相比，其計(jì)算量大大減少。由于市場(chǎng)和技術(shù)開(kāi)發(fā)的要求,針對(duì)目前應(yīng)用的橫向開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)，,特假想出如下兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)。 基本的AFSRM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 新型AFSRM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（1） 為了提高氣隙的磁場(chǎng)密度,。該結(jié)構(gòu)將外部的定子下部做成與上部相對(duì)稱的結(jié)構(gòu),該設(shè)計(jì)是充分利用了有限的空間位置,使得在相同外徑的條件下,能增大放置永磁體的體積,使得轉(zhuǎn)矩提升的更充分。（2） 出于制造工藝方面的考慮,。該結(jié)構(gòu)在上述結(jié)構(gòu)的