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　　一种新型聚磁式横向磁场永磁电机研究
　　随着电动车、磁悬浮列车和舰船电力推动等大功率电气传动技术的发展，人们开始对低速、高转矩密度、直驱电机的要求日益迫切，以减小电机的体积、重量和原材料的消耗，提高材料利用率。然而对于传统结构的电机，由于流过磁通的齿部和流过电流的电枢绕组占用同一截面，因此存在着增加气隙磁通与提高绕组电流密度之间的矛盾，即磁通量与电流密度的乘积有一定的限制，输出转矩难以得到根本上的提高。横向磁场电机从理论上较好地解决了这一问题。
　　TFM是上世纪80年代末由德国著名的电机专家H.Weh教授提出的一种新型电机结构形式113.与传统电机磁路结构不同，TFM的主磁路与电机运动方向垂直，实现了磁路和电路结构上的解耦，可以根据需要改变磁路尺寸和线圈窗口来调节磁通量和电流密度的大小，以获得较高的转矩密度。德国于1988年率先完成了首台45kW横向磁场永磁电机（TFPM）样机后，在1999年又将TFPM电机作为今后电动车发展的优选部件之一（即OKOFEH计划）加以资助和研究；英国于1997年成功研制了首台用于轮船电力推进的3.0MW横台达电力电子科教发展基金资助项目（504925）机；美国通用汽车公司也于1999年开始研制30kW电动车用横向磁场永磁电机。另外，横向磁场电机也正向中小功率的低速直接驱动和伺服领域发展，同时横向磁场电机还对直线驱动、磁悬浮技术等也有很大的借鉴作用，因此具有较高的理论研究和应用价值。
　　目前横向磁场电机已经有多种拓扑结构形式，大体可以分为聚磁式、平板式和开关磁阻式三种，其中又以聚磁式转矩密度最高。是横向磁场永磁电机的典型结构形的结构示意图。
　　该TFPM电机的定子采用了组合式定子结构形式，即定子铁心由外定子铁心、内定子铁心和定子过渡铁心三部分组合而成，其中内、外定子铁心与转轴平行放置，并且错开半个极距，过渡铁心呈环形与转轴垂直放置，与内、外两个定子铁心相连形成闭合磁路，若干对这样的单元极铁心沿圆周均放置，就组成一相定子铁心，因此组合方便；电枢绕组为环形集中绕组，绕制方便、端部少，与过渡铁心平行放置；转子由铁心冲片和永磁磁钢组合而成，其中铁心冲片呈扇形沿轴向叠装，永磁体沿切向充磁，并且相邻两磁钢极性相对，磁钢与铁心交错放置，形成双边聚磁转子结构，如b所示。其工作原理与Weh原型机类似。
　　两相TFPM电机的结构示意基于等效磁网络的三维磁场分析平面上，当忽略端部漏磁的影响时（盘式电机除外），常可简化为二维场进行有限元分析。TFPM电机则不然，其主磁路与电机运动方向垂直，是三维场问题，因此增加了分析的难度。介绍了一种三维电磁场分析方法――三维等效磁网络法（3D是将环形绕组产生的磁势集中于绕组窗口内并用一块永磁体来等效，成为无旋场，满足了rotH=0的条件，引用了标量磁位同时对求解区域进行六面体剖分，因此具有剖分方便、直观性强、收敛性好等优点。磁场分析时，由于TFPM电机各相、各极之间磁路是独立的，可以利用周期性边界条件，仅对b所示的单元极进行磁场分析。网络剖分采用了柱坐标，将电机的径向定为r轴，剖分了28个节点；切向（即旋转方向）定为0轴，剖分了37个节点，每隔1°机械角度为一个节点，轴向定为z轴，剖分了17个节点，a为剖分的轴向投影图，b为剖分的径向投影图。
　　三维网格剖分示意图给出了样机在所示位置时双边气隙磁密三维分布图。可以看出，由于采用了转子聚磁结构，样机的气隙磁密较高，可以达到1.23T；同时内、外双边气隙均参与能量转换，磁场利用率高。
　　对不同转子位置、不同电流分别进行计算，可以得到样机的各种特性曲线。中虚线所示为电流10A时通过计算气隙分界面上的麦克斯韦张力得到的静态电磁转矩特性曲线。需要说明的是由于永磁体自定位转矩的影响，电磁转矩出现一些传统电机由于主磁场与电机运动方向位于同一转|脉1这可以采用多相结构等加/以抑制。LnetU）外气Wifi密分布（b）内气fit磁密分布空载气隙磁密三维分布静态转矩曲线5样机静态转矩试验基于上述分析，我们设计并制作了组合定子双边聚磁TFPM试验样机。样机的主要设计数据为：验曲线，可以看出，试验曲线与三维电磁场计算结果基本吻合，说明上述磁场分析的正确性，为今后横向磁场永磁电机的更深入研究奠定了良好的软件平台。我们还设计了基于ADMCF340DSP的TF>PM电机控制系统，架构了试验平台，以进行深入研究。
　　结论横向磁场永磁电机具有转矩密度高、设计灵活、控制方便等特点，特别适合于要求低速、大转矩、直接驱动的场合。本文提出了一种新型拓扑结构的TFPM电机，它采用了组合式定子、双边聚磁转子结构形式，具有结构简单、加工方便、磁场利用率高等特点；介绍了其结构特点，并通过三维等效磁网络法进行了样机的磁场分析，制作了样机，并对样机进行了初步的试验研究。样机试验结果与理论分析基本吻合，证明上述分析方法的正确性。目前横向磁场电机在我国尚未有更深入的研究报道，相信上述工作会为我国在这一领域的研究奠定一定的基础。