核心提示：　　隨著電動(dòng)車、磁懸浮列車和艦船電力推動(dòng)等大功率電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始對(duì)低速、高轉(zhuǎn)矩密度、直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求日益迫切，以減小電機(jī)的體積、重量和原材料的消耗，提高材料利用率。然而對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電機(jī)

　　隨著電動(dòng)車、磁懸浮列車和艦船電力推動(dòng)等大功率電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始對(duì)低速、高轉(zhuǎn)矩密度、直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求日益迫切，以減小電機(jī)的體積、重量和原材料的消耗，提高材料利用率。然而對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電機(jī)，由于流過(guò)磁通的齒部和流過(guò)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(zhuǎn)矩難以得到根本上的提高。橫向磁場(chǎng)電機(jī)從理論上較好地解決了這一問(wèn)題。

　　TFM）是上世紀(jì)80年代末由德國(guó)著名的電機(jī)專家H.Weh教授提出的一種新型電機(jī)結(jié)構(gòu)形式113.與傳統(tǒng)電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)不同，TFM的主磁路與電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向垂直，實(shí)現(xiàn)了磁路和電路結(jié)構(gòu)上的解耦，可以根據(jù)需要改變磁路尺寸和線圈窗口來(lái)調(diào)節(jié)磁通量和電流密度的大小，以獲得較高的轉(zhuǎn)矩密度。德國(guó)于1988年率先完成了首臺(tái)45kW橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)（TFPM）樣機(jī)后，在1999年又將TFPM電機(jī)作為今后電動(dòng)車發(fā)展的優(yōu)選部件之一（即OKOFEH計(jì)劃）加以資助和研究；英國(guó)于1997年成功研制了首臺(tái)用于輪船電力推進(jìn)的3.0MW橫臺(tái)達(dá)電力電子科教發(fā)展基金資助項(xiàng)目（504925）機(jī)；美國(guó)通用汽車公司也于1999年開(kāi)始研制30kW電動(dòng)車用橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)。另外，橫向磁場(chǎng)電機(jī)也正向中小功率的低速直接驅(qū)動(dòng)和伺服領(lǐng)域發(fā)展，同時(shí)橫向磁場(chǎng)電機(jī)還對(duì)直線驅(qū)動(dòng)、磁懸浮技術(shù)等也有很大的借鑒作用，因此具有較高的理論研究和應(yīng)用價(jià)值。

　　目前橫向磁場(chǎng)電機(jī)已經(jīng)有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，大體可以分為聚磁式、平板式和開(kāi)關(guān)磁阻式三種，其中又以聚磁式轉(zhuǎn)矩密度最高。是橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)形的結(jié)構(gòu)示意圖。

　　該TFPM電機(jī)的定子采用了組合式定子結(jié)構(gòu)形式，即定子鐵心由外定子鐵心、內(nèi)定子鐵心和定子過(guò)渡鐵心三部分組合而成，其中內(nèi)、外定子鐵心與轉(zhuǎn)軸平行放置，并且錯(cuò)開(kāi)半個(gè)極距，過(guò)渡鐵心呈環(huán)形與轉(zhuǎn)軸垂直放置，與內(nèi)、外兩個(gè)定子鐵心相連形成閉合磁路，若干對(duì)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(huán)形集中繞組，繞制方便、端部少，與過(guò)渡鐵心平行放置；轉(zhuǎn)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(duì)，磁鋼與鐵心交錯(cuò)放置，形成雙邊聚磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如b所示。其工作原理與Weh原型機(jī)類似。

　　兩相TFPM電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意基于等效磁網(wǎng)絡(luò)的三維磁場(chǎng)分析平面上，當(dāng)忽略端部漏磁的影響時(shí)（盤式電機(jī)除外），常可簡(jiǎn)化為二維場(chǎng)進(jìn)行有限元分析。TFPM電機(jī)則不然，其主磁路與電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向垂直，是三維場(chǎng)問(wèn)題，因此增加了分析的難度。介紹了一種三維電磁場(chǎng)分析方法――三維等效磁網(wǎng)絡(luò)法（3D是將環(huán)形繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)集中于繞組窗口內(nèi)并用一塊永磁體來(lái)等效，成為無(wú)旋場(chǎng)，滿足了rotH=0的條件，引用了標(biāo)量磁位同時(shí)對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行六面體剖分，因此具有剖分方便、直觀性強(qiáng)、收斂性好等優(yōu)點(diǎn)。磁場(chǎng)分析時(shí)，由于TFPM電機(jī)各相、各極之間磁路是獨(dú)立的，可以利用周期性邊界條件，僅對(duì)b所示的單元極進(jìn)行磁場(chǎng)分析。網(wǎng)絡(luò)剖分采用了柱坐標(biāo)，將電機(jī)的徑向定為r軸，剖分了28個(gè)節(jié)點(diǎn)；切向（即旋轉(zhuǎn)方向）定為0軸，剖分了37個(gè)節(jié)點(diǎn)，每隔1°機(jī)械角度為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，軸向定為z軸，剖分了17個(gè)節(jié)點(diǎn)，a為剖分的軸向投影圖，b為剖分的徑向投影圖。

　　三維網(wǎng)格剖分示意圖給出了樣機(jī)在所示位置時(shí)雙邊氣隙磁密三維分布圖?？梢钥闯?，由于采用了轉(zhuǎn)子聚磁結(jié)構(gòu)，樣機(jī)的氣隙磁密較高，可以達(dá)到1.23T；同時(shí)內(nèi)、外雙邊氣隙均參與能量轉(zhuǎn)換，磁場(chǎng)利用率高。

　　對(duì)不同轉(zhuǎn)子位置、不同電流分別進(jìn)行計(jì)算，可以得到樣機(jī)的各種特性曲線。中虛線所示為電流10A時(shí)通過(guò)計(jì)算氣隙分界面上的麥克斯韋張力得到的靜態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線。需要說(shuō)明的是由于永磁體自定位轉(zhuǎn)矩的影響，電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)一些傳統(tǒng)電機(jī)由于主磁場(chǎng)與電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向位于同一轉(zhuǎn)|脈1這可以采用多相結(jié)構(gòu)等加/以抑制。Lnet U）外氣Wifi密分布（b）內(nèi)氣fit磁密分布空載氣隙磁密三維分布靜態(tài)轉(zhuǎn)矩曲線5樣機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)基于上述分析，我們?cè)O(shè)計(jì)并制作了組合定子雙邊聚磁TFPM試驗(yàn)樣機(jī)。樣機(jī)的主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為：驗(yàn)曲線，可以看出，試驗(yàn)曲線與三維電磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果基本吻合，說(shuō)明上述磁場(chǎng)分析的正確性，為今后橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)的更深入研究奠定了良好的軟件平臺(tái)。我們還設(shè)計(jì)了基于ADMCF340DSP的TF>PM電機(jī)控制系統(tǒng)，架構(gòu)了試驗(yàn)平臺(tái)，以進(jìn)行深入研究。

　　6結(jié)論橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩密度高、設(shè)計(jì)靈活、控制方便等特點(diǎn)，特別適合于要求低速、大轉(zhuǎn)矩、直接驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合。本文提出了一種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的TFPM電機(jī)，它采用了組合式定子、雙邊聚磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、磁場(chǎng)利用率高等特點(diǎn)；介紹了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并通過(guò)三維等效磁網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行了樣機(jī)的磁場(chǎng)分析，制作了樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)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(chǎng)電機(jī)在我國(guó)尚未有更深入的研究報(bào)道，相信上述工作會(huì)為我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究奠定一定的基礎(chǔ)。