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新型永磁电机电磁场的有限元分析

发布于:2016-04-20 19:26
有限元分析

      1986年,德国的Herbert Weh教授首次提出一种将高能量密度磁体与横向磁通相结合的电机设计方案,即为现今横向磁通永磁电机(transverse flux permanent-magnet motor,TFPM)的雏形。这种设计思路在当时并未引起人们的足够重视,直到90年代中期,TFPM才以其在低速条件下电磁力密度大的优异性能,成为电机界研究的热点。为了进一步提高电机的转矩密度,学者们从扩展能效转换空间的角度,积极投入到新型横向永磁电机的有限元分析和研发工作。德国亚琛科技大学教授Henneberger G。将原平板式TFPM的U型定子磁极做了改进,将转子挪到定子外侧,设计出一种大功率三相外转子TFPM拓扑结构。不莱梅大学Schuttler J教授对这种拓扑结构做了深入的电磁场理论分析并设计出样机。我国在这方面开展较晚,2006 年,上海大学教授及其团队设计出两相聚磁式TFPM,并研发了相应的驱动系统。TFPM在低速下的大转矩优势使其适用于电动汽车、舰船推进及风力发电等领域,然而其进一步发展面临着两个问题:漏磁大,功率因数较低,结构复杂,加工工艺要求高,生产成本较大。这两点成为TFPM至今仍停留在实验室阶段,得不到广泛应用的主要瓶颈。
      本研究利用TFPM电路与磁路解耦的结构特点,提出一种新型小功率四相外转子TFPM拓扑结构,在Maxwell 3D中对定子、转子在不同电角度下的电磁场特性进行了分析,验证了该拓扑结构的可行性,为该新型TFPM的研发提供了理论依据。根据拓扑结构制作了样机,实验表明,采用135°导电模式,样机运行平稳,转矩脉动较小,验证了TFPM低速条件下的大转矩特性。
      本研究设计的四相外转子平板式TFPM采用独创的拓扑结构。其单相结构如图所示。磁路原理如下:静止平衡位置时,由右侧N极永磁体发出磁通,经过定子齿、定子轭部回到左侧定子齿,进入左侧永磁体的S极、N极,再通过辅助铁芯回到右侧S极、右侧N极形成闭合回路。
      线圈通电后,定子齿中产生磁场,与外转子永磁体产生的磁场相互作用,使转子转动。当移动过1/4极距后,给另一相绕组通入电流,如此循环,转子即可连续运转。本研究采用SolidWorksApp为该新型TFPM建立三维模型。每个定子单元由一对齿形定子磁极、12根辅助铁芯及一个定子绕组线圈组成。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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