核心提示：　　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(shù)的發(fā)展，人們開始對低速、高轉(zhuǎn)矩密度、直接驅(qū)動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(tǒng)結(jié)構(gòu)的電機

　　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(shù)的發(fā)展，人們開始對低速、高轉(zhuǎn)矩密度、直接驅(qū)動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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)形式113.與傳統(tǒng)電機磁路結(jié)構(gòu)不同，TFM的主磁路與電機運動方向垂直，實現(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(fā)展的優(yōu)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(fā)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(qū)動和伺服領(lǐng)域發(fā)展，同時橫向磁場電機還對直線驅(qū)動、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)用價值。

　　目前橫向磁場電機已經(jīng)有多種拓撲結(jié)構(gòu)形式，大體可以分為聚磁式、平板式和開關(guān)磁阻式三種，其中又以聚磁式轉(zhuǎn)矩密度最高。是橫向磁場永磁電機的典型結(jié)構(gòu)形的結(jié)構(gòu)示意圖。

　　該TFPM電機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，并且錯開半個極距，過渡鐵心呈環(huán)形與轉(zhuǎn)軸垂直放置，與內(nèi)、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(huán)形集中繞組，繞制方便、端部少，與過渡鐵心平行放置；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，磁鋼與鐵心交錯放置，形成雙邊聚磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如b所示。其工作原理與Weh原型機類似。

　　兩相TFPM電機的結(jié)構(gòu)示意基于等效磁網(wǎng)絡(luò)的三維磁場分析平面上，當(dāng)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(wǎng)絡(luò)法（3D是將環(huán)形繞組產(chǎn)生的磁勢集中于繞組窗口內(nèi)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(qū)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(yōu)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(wǎng)絡(luò)剖分采用了柱坐標，將電機的徑向定為r軸，剖分了28個節(jié)點；切向（即旋轉(zhuǎn)方向）定為0軸，剖分了37個節(jié)點，每隔1°機械角度為一個節(jié)點，軸向定為z軸，剖分了17個節(jié)點，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(zhuǎn)子聚磁結(jié)構(gòu)，樣機的氣隙磁密較高，可以達到1.23T；同時內(nèi)、外雙邊氣隙均參與能量轉(zhuǎn)換，磁場利用率高。

　　對不同轉(zhuǎn)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(tài)電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線。需要說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)電機由于主磁場與電機運動方向位于同一轉(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樣機靜態(tài)轉(zhuǎn)矩試驗基于上述分析，我們設(shè)計并制作了組合定子雙邊聚磁TFPM試驗樣機。樣機的主要設(shè)計數(shù)據(jù)為：驗曲線，可以看出，試驗曲線與三維電磁場計算結(jié)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(shè)計了基于ADMCF340DSP的TF>PM電機控制系統(tǒng)，架構(gòu)了試驗平臺，以進行深入研究。

　　6結(jié)論橫向磁場永磁電機具有轉(zhuǎn)矩密度高、設(shè)計靈活、控制方便等特點，特別適合于要求低速、大轉(zhuǎn)矩、直接驅(qū)動的場合。本文提出了一種新型拓撲結(jié)構(gòu)的TFPM電機，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)簡單、加工方便、磁場利用率高等特點；介紹了其結(jié)構(gòu)特點，并通過三維等效磁網(wǎng)絡(luò)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(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(lǐng)域的研究奠定一定的基礎(chǔ)。