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  一種新型聚磁式橫向磁場永磁電機研究
  隨著電動車、磁懸浮列車和艦船電力推動等大功率電氣傳動技術的發展,人們開始對低速、高轉矩密度、直驅電機的要求日益迫切,以減小電機的體積、重量和原材料的消耗,提高材料利用率。然而對于傳統結構的電機,由于流過磁通的齒部和流過電流的電樞繞組占用同一截面,因此存在著增加氣隙磁通與提高繞組電流密度之間的矛盾,即磁通量與電流密度的乘積有一定的限制,輸出轉矩難以得到根本上的提高。橫向磁場電機從理論上較好地解決了這一問題。
  TFM是上世紀80年代末由德國著名的電機專家H.Weh教授提出的一種新型電機結構形式113.與傳統電機磁路結構不同,TFM的主磁路與電機運動方向垂直,實現了磁路和電路結構上的解耦,可以根據需要改變磁路尺寸和線圈窗口來調節磁通量和電流密度的大小,以獲得較高的轉矩密度。德國于1988年率先完成了首臺45kW橫向磁場永磁電機(TFPM)樣機后,在1999年又將TFPM電機作為今后電動車發展的優選部件之一(即OKOFEH計劃)加以資助和研究;英國于1997年成功研制了首臺用于輪船電力推進的3.0MW橫臺達電力電子科教發展基金資助項目(504925)機;美國通用汽車公司也于1999年開始研制30kW電動車用橫向磁場永磁電機。另外,橫向磁場電機也正向中小功率的低速直接驅動和伺服領域發展,同時橫向磁場電機還對直線驅動、磁懸浮技術等也有很大的借鑒作用,因此具有較高的理論研究和應用價值。
  目前橫向磁場電機已經有多種拓撲結構形式,大體可以分為聚磁式、平板式和開關磁阻式三種,其中又以聚磁式轉矩密度最高。是橫向磁場永磁電機的典型結構形的結構示意圖。
  該TFPM電機的定子采用了組合式定子結構形式,即定子鐵心由外定子鐵心、內定子鐵心和定子過渡鐵心三部分組合而成,其中內、外定子鐵心與轉軸平行放置,并且錯開半個極距,過渡鐵心呈環形與轉軸垂直放置,與內、外兩個定子鐵心相連形成閉合磁路,若干對這樣的單元極鐵心沿圓周均放置,就組成一相定子鐵心,因此組合方便;電樞繞組為環形集中繞組,繞制方便、端部少,與過渡鐵心平行放置;轉子由鐵心沖片和永磁磁鋼組合而成,其中鐵心沖片呈扇形沿軸向疊裝,永磁體沿切向充磁,并且相鄰兩磁鋼極性相對,磁鋼與鐵心交錯放置,形成雙邊聚磁轉子結構,如b所示。其工作原理與Weh原型機類似。
  兩相TFPM電機的結構示意基于等效磁網絡的三維磁場分析平面上,當忽略端部漏磁的影響時(盤式電機除外),常可簡化為二維場進行有限元分析。TFPM電機則不然,其主磁路與電機運動方向垂直,是三維場問題,因此增加了分析的難度。介紹了一種三維電磁場分析方法――三維等效磁網絡法(3D是將環形繞組產生的磁勢集中于繞組窗口內并用一塊永磁體來等效,成為無旋場,滿足了rotH=0的條件,引用了標量磁位同時對求解區域進行六面體剖分,因此具有剖分方便、直觀性強、收斂性好等優點。磁場分析時,由于TFPM電機各相、各極之間磁路是獨立的,可以利用周期性邊界條件,僅對b所示的單元極進行磁場分析。網絡剖分采用了柱坐標,將電機的徑向定為r軸,剖分了28個節點;切向(即旋轉方向)定為0軸,剖分了37個節點,每隔1°機械角度為一個節點,軸向定為z軸,剖分了17個節點,a為剖分的軸向投影圖,b為剖分的徑向投影圖。
  三維網格剖分示意圖給出了樣機在所示位置時雙邊氣隙磁密三維分布圖。可以看出,由于采用了轉子聚磁結構,樣機的氣隙磁密較高,可以達到1.23T;同時內、外雙邊氣隙均參與能量轉換,磁場利用率高。
  對不同轉子位置、不同電流分別進行計算,可以得到樣機的各種特性曲線。中虛線所示為電流10A時通過計算氣隙分界面上的麥克斯韋張力得到的靜態電磁轉矩特性曲線。需要說明的是由于永磁體自定位轉矩的影響,電磁轉矩出現一些傳統電機由于主磁場與電機運動方向位于同一轉|脈1這可以采用多相結構等加/以抑制。LnetU)外氣Wifi密分布(b)內氣fit磁密分布空載氣隙磁密三維分布靜態轉矩曲線5樣機靜態轉矩試驗基于上述分析,我們設計并制作了組合定子雙邊聚磁TFPM試驗樣機。樣機的主要設計數據為:驗曲線,可以看出,試驗曲線與三維電磁場計算結果基本吻合,說明上述磁場分析的正確性,為今后橫向磁場永磁電機的更深入研究奠定了良好的軟件平臺。我們還設計了基于ADMCF340DSP的TF>PM電機控制系統,架構了試驗平臺,以進行深入研究。
  結論橫向磁場永磁電機具有轉矩密度高、設計靈活、控制方便等特點,特別適合于要求低速、大轉矩、直接驅動的場合。本文提出了一種新型拓撲結構的TFPM電機,它采用了組合式定子、雙邊聚磁轉子結構形式,具有結構簡單、加工方便、磁場利用率高等特點;介紹了其結構特點,并通過三維等效磁網絡法進行了樣機的磁場分析,制作了樣機,并對樣機進行了初步的試驗研究。樣機試驗結果與理論分析基本吻合,證明上述分析方法的正確性。目前橫向磁場電機在我國尚未有更深入的研究報道,相信上述工作會為我國在這一領域的研究奠定一定的基礎。

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