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1986年，德國的Herbert Weh教授首次提出一種將高能量密度磁體與橫向磁通相結(jié)合的電機(jī)設(shè)計(jì)方案，即為現(xiàn)今橫向磁通永磁電機(jī)（transverse flux permanent-magnet motor，TFPM）的雛形。這種設(shè)計(jì)思路在當(dāng)時(shí)并未引起人們的足夠重視，直到90年代中期，TFPM才以其在低速條件下電磁力密度大的優(yōu)異性能，成為電機(jī)界研究的熱點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，學(xué)者們從擴(kuò)展能效轉(zhuǎn)換空間的角度，積極投入到新型橫向永磁電機(jī)的有限元分析和研發(fā)工作。德國亞琛科技大學(xué)教授Henneberger G。將原平板式TFPM的U型定子磁極做了改進(jìn)，將轉(zhuǎn)子挪到定子外側(cè)，設(shè)計(jì)出一種大功率三相外轉(zhuǎn)子TFPM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不萊梅大學(xué)Schuttler J教授對(duì)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做了深入的電磁場(chǎng)理論分析并設(shè)計(jì)出樣機(jī)。我國在這方面開展較晚，2006 年，上海大學(xué)教授及其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出兩相聚磁式TFPM，并研發(fā)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。TFPM在低速下的大轉(zhuǎn)矩優(yōu)勢(shì)使其適用于電動(dòng)汽車、艦船推進(jìn)及風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域，然而其進(jìn)一步發(fā)展面臨著兩個(gè)問題：漏磁大，功率因數(shù)較低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工藝要求高，生產(chǎn)成本較大。這兩點(diǎn)成為TFPM至今仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，得不到廣泛應(yīng)用的主要瓶頸。
本研究利用TFPM電路與磁路解耦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種新型小功率四相外轉(zhuǎn)子TFPM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在Maxwell 3D中對(duì)定子、轉(zhuǎn)子在不同電角度下的電磁場(chǎng)特性進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性，為該新型TFPM的研發(fā)提供了理論依據(jù)。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)制作了樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)表明，采用135°導(dǎo)電模式，樣機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，驗(yàn)證了TFPM低速條件下的大轉(zhuǎn)矩特性。
本研究設(shè)計(jì)的四相外轉(zhuǎn)子平板式TFPM采用獨(dú)創(chuàng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其單相結(jié)構(gòu)如圖所示。磁路原理如下：靜止平衡位置時(shí)，由右側(cè)N極永磁體發(fā)出磁通，經(jīng)過定子齒、定子軛部回到左側(cè)定子齒，進(jìn)入左側(cè)永磁體的S極、N極，再通過輔助鐵芯回到右側(cè)S極、右側(cè)N極形成閉合回路。
線圈通電后，定子齒中產(chǎn)生磁場(chǎng)，與外轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)過1/4極距后，給另一相繞組通入電流，如此循環(huán)，轉(zhuǎn)子即可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。本研究采用SolidWorks軟件為該新型TFPM建立三維模型。每個(gè)定子單元由一對(duì)齒形定子磁極、12根輔助鐵芯及一個(gè)定子繞組線圈組成。
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