径向充磁双绕组横向磁通永磁发电机
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湘潭大学信息工程学院的研究人员兰志勇、徐琛等，在2018年第7期《电气技术》杂志上撰文指出，横向磁通永磁发电机的旋转方向垂直于内部永磁体产生磁力线所在的平面，解决了传统永磁发电机磁路和电路相互制约的问题。因其具有高转矩密度、良好低速特性等优势，故在低速直驱风电领域得到了广泛的关注。
基于目前磁通切换型横向磁通永磁风力发电机永磁体利用率不高的问题，本文提出了一种径向充磁双绕组横向磁通永磁发电机结构，在阐述了径向充磁双绕组横向磁通永磁发电机的基本结构和原理之后，为得到发电机设计时的主要参数，通过传统永磁发电机经验公式推导出该发电机的电磁设计公式，在此基础上通过ANSYS Maxwell软件对径向充磁双绕组横向磁通永磁发电机空载情况进行三维有限元分析，得到内、外齿下气隙磁密、磁链和反电势等参数，验证了所设计发电机的合理性。
横向磁通发电机（transverse flux machine, TFM）是由德国不伦瑞克理工大学Herbert Weh教授最先提出的[1]。横向磁通，指发电机旋转的方向垂直于磁力线所在的平面[2-3]。横向磁通发电机空间设计灵活，具有相互解耦的磁负荷和电负荷，从根本上提高了传统永磁发电机功率密度。此外，该种发电机各部分拼装而成结构简单可靠，且各相之间相互独立，易于实现多相多极结构，使其特别适用于低速、直接驱动风力发电领域[4]。
目前，国内外众多学者对于横向磁通永磁发电机进行了相当深入的研究，提出了很多新型的横向磁通永磁发电机的结构[5-7]。印度Nirma大学的学者在对永磁体和定子铁心之间的漏磁进行了研究，提出一种适用于直接驱动的横向磁通永磁发电机结构，通过三维有限元分析表明，新型结构发电机的主要性能参数相比常规横向磁通永磁发电机有较大提升[8]。
南非North-West大学的学者同样为了解决定子铁心与永磁体之间高磁通量的泄漏，将发电机的定子分为内外两个部分，提出一种具有双绕组的横向磁通永磁发电机结构并研制出样机进行试验[9]。横向磁通电动机在低速风力发电领域的优势也引起了国内高校学者的关注。合肥工业大学李红梅教授等人，提出一种无辅助定子的聚磁式TFPMM拓扑，并通过有限元分析验证其结构的合理性[10]。江苏大学的学者基于独特的定子铁心结构，提出一种结构较为简单便于模块化的横向磁通永磁发电机[11]。
大部分的横向磁通永磁发电机按照转子永磁体的放置方式进行分类，可分为表面安装式和聚磁式两种。表面安装式横向磁通永磁发电机对于永磁体利用率不高，输出同样的功率需要更大的体积[12]。聚磁式横向磁通永磁发电机的永磁体位于转子内部，相比较一般永磁发电机铁心发热量要大，工艺制造更复杂，效率较低[13]。
本文在文献[14]中提出的新型永磁发电机结构的基础上，结合磁通切换和横向磁通的原理，提出了一种径向充磁双绕组横向磁通永磁发电机（radially- magnetized dual winding transverse flux permanent magnet generator, RMDW-TFPMG）结构。该发电机巧妙地利用空间结构，采用单转子双定子结构，使其具有两个绕组，提高了永磁体的利用率。
本文首先介绍了RMDW-TFPMG的基本结构和原理，在此基础上根据类似传统永磁发电机经验公式推导出RMDW- TFPMG的功率尺寸方程，最后借助ANSYS Maxwell软件对发电机进行瞬态场分析，得到气隙磁密、空载磁链、空载反电势等参数，验证了所提出的新结构发电机的合理性。
1 RMDW-TFPMG的基本结构和原理
1.1 RMDW-TFPMG的基本结构
图1显示了由定子整体和转子整体两部分组成的RMDW-TFPMG基本结构图，其中定子整体包括两个定子铁心组，每个定子铁心组由若干个沿圆周方向均匀分布的定子铁心组成，定子铁心组的绕组槽中设有电枢绕组；转子整体包括若干沿圆周方向均匀布置的转子铁心，转子铁心置于两个定子铁心组之间，一对永磁体嵌装在每个转子铁心中，相邻转子铁心中永磁体极性相反。该发电机的主要结构特点有：
图1 RMDW-TFPMG的结构图
1）该发电机设计时巧妙地利用了空间结构，采用单转子双定子结构，可以有效避免永磁体无效的情况，从而调高了永磁体的利用率，提高了发电机的功率密度。
2）定子铁心和转子铁心均采用硅钢片叠制而成，有效地提高了发电机的气隙磁通密度。
3）定子整体和转子整体均是由模块化拼装而成，在电磁场有限元计算时可以采用1对极模型来反应发电机的特性，减少了计算量从而减少计算时间，使结构更加简单可靠，且便于发电机的加工与制造。
1.2 RMDW-TFPMG的原理
图2给出了RMDW-TFPMG的运行原理。将定子整体中的两个定子铁心组分别命名为A绕组定子铁心组和B绕组定子铁心组。图2（a）中，A绕组定子铁心组中的相邻定子铁心外齿分别与转子齿中的左侧转子铁心和右侧转子铁心在径向上平齐，且同一转子齿下两块永磁体的磁化方向相反。这一时刻A绕组定子铁心组中的定子铁心的磁通方向均为逆时针。
同时，B绕组定子铁心组中的相邻定子铁心外齿分别与转子齿的右侧转子铁心和左侧转子铁心在径向上平齐，B绕组定子铁心组中的定子铁心的磁通方向也均为逆时针。当发电机转子位于图2（b）所示位置时，A绕组定子铁心组中的相邻定子铁心外齿变为分别与转子齿的右侧转子铁心和左侧转子铁心在径向上平齐，而B绕组定子铁心组中的相邻定子铁心外齿变为分别与转子齿的左侧转子铁心和右侧转子铁心在径向上平齐。
这一时刻，A、B两个定子铁心组中定子铁心的磁通方向均变为顺时针。因此，当发电机以一定角速度进行旋转时，永磁体极性持续有规律改变使定子铁心中磁通呈周期性变化，使位于定子槽中的电枢绕组产生感应电势。
图2 RMDW-TFPMG的运行原理
2 RMDW-TFPMG的电磁计算（略）
3 RMDW-TFPMG的有限元分析（略）
通过对RMDW-TFPMG结构在气隙长度0.3mm，极弧系数为0.75条件下建模，磁路计算出主磁通为2.136×104Wb，根据有限元空载感应反电动势的结果可计算出主磁通为2.81×104Wb，误差率在20%左右。
本文提出一种径向充磁双绕组横向磁通永磁发电机结构。首先详细介绍了其基本结构和原理；在阐述该种发电机的基本结构和原理之后，类比传统永磁发电机设计得到该发电机设计的主要参数；最后，基于三维有限元分析软件，仿真得到了发电机空载时电磁特性，可得出以下结论：
1）对比传统发电机，径向充磁双绕组横向磁通永磁发电机结构简单，电路和磁路空间上互相解耦。
2）相比较前期的径向充磁单绕组横向磁通永磁发电机，径向充磁双绕组横向磁通永磁发电机中永磁体利用率高，发电机功率密度大。
3）通过磁路和有限元计算结果来看，相比传统永磁发电机二者还具有较大差距。下一步应考虑采用更准确的路算方法对横向磁通结构的发电机进行计算。