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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)合的電機設計方案，即為現(xiàn)今橫向磁通永磁電機（transverse flux permanent-magnet motor，TFPM）的雛形。這種設計思路在當時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，成為電機界研究的熱點。為了進一步提高電機的轉(zhuǎn)矩密度，學者們從擴展能效轉(zhuǎn)換空間的角度，積極投入到新型橫向永磁電機的有限元分析和研發(fā)工作。德國亞琛科技大學教授Henneberger G。將原平板式TFPM的U型定子磁極做了改進，將轉(zhuǎn)子挪到定子外側(cè)，設計出一種大功率三相外轉(zhuǎn)子TFPM拓撲結(jié)構(gòu)。不萊梅大學Schuttler J教授對這種拓撲結(jié)構(gòu)做了深入的電磁場理論分析并設計出樣機。我國在這方面開展較晚，2006 年，上海大學教授及其團隊設計出兩相聚磁式TFPM，并研發(fā)了相應的驅(qū)動系統(tǒng)。TFPM在低速下的大轉(zhuǎn)矩優(yōu)勢使其適用于電動汽車、艦船推進及風力發(fā)電等領域，然而其進一步發(fā)展面臨著兩個問題：漏磁大，功率因數(shù)較低，結(jié)構(gòu)復雜，加工工藝要求高，生產(chǎn)成本較大。這兩點成為TFPM至今仍停留在實驗室階段，得不到廣泛應用的主要瓶頸。
本研究利用TFPM電路與磁路解耦的結(jié)構(gòu)特點，提出一種新型小功率四相外轉(zhuǎn)子TFPM拓撲結(jié)構(gòu)，在Maxwell 3D中對定子、轉(zhuǎn)子在不同電角度下的電磁場特性進行了分析，驗證了該拓撲結(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)拓撲結(jié)構(gòu)制作了樣機，實驗表明，采用135°導電模式，樣機運行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩脈動較小，驗證了TFPM低速條件下的大轉(zhuǎn)矩特性。
本研究設計的四相外轉(zhuǎn)子平板式TFPM采用獨創(chuàng)的拓撲結(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，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，與外轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場相互作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。當移動過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)運轉(zhuǎn)。本研究采用SolidWorks軟件為該新型TFPM建立三維模型。每個定子單元由一對齒形定子磁極、12根輔助鐵芯及一個定子繞組線圈組成。
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