新型軸向磁通調制式復合電機的設計與分析

張 巖，謝 穎，連國一，劉海東

(哈爾濱理工大學，哈爾濱150080)

?

新型軸向磁通調制式復合電機的設計與分析

張 巖，謝 穎，連國一，劉海東

(哈爾濱理工大學，哈爾濱150080)

提出了一種新型的低速軸向磁通調制式復合電機，該電機主要應用于電動汽車上。與傳統(tǒng)的軸向磁通調制式復合電機相比，具有轉矩密度大、結構簡單等優(yōu)點。介紹了該電機的工作原理，并通過有限元分析的方法對此電機與傳統(tǒng)的軸向磁通調制式復合電機以及徑向式磁通調制式復合電機的穩(wěn)態(tài)運行特性進行了分析與比較。計算結果證明了新型軸向磁通調制式復合電設計合理，具有低速大轉矩的性能，在電動汽車驅動領域具有一定的研究意義和應用價值。

磁通調制式復合電機；電動汽車；有限元方法；磁性齒輪；低速大轉矩

0 引 言

近年來,由于能源危機和環(huán)境的不斷惡化，新能源電動汽車的發(fā)展得到了廣泛關注，對作為其核心部件的驅動電機進行深入研究迫在眉睫。在現(xiàn)有許多電動汽車中采用機械齒輪機構來對電機轉矩進行傳動，但是機械齒輪需要潤滑和冷卻，同時會帶來很大的噪聲和振動，影響驅動系統(tǒng)的效率。由此人們提出了采用能夠產生低速大轉矩的電機來進行直接驅動。眾所周知，電機的轉速與電機的體積成反比例關系，為了滿足低速大轉矩直接驅動的需求，電機就會大而笨重[1]，功率密度低。

為了解決上述問題，2001年，英國的D.Howe教授根據磁場調制原理提出一種新型同心式磁性齒輪[2]。丹麥的P.O.Rasmussen等學者根據磁性齒輪磁力傳動、無機械接觸的特點，從理論和樣機的具體實踐上完成了一種新型磁性齒輪的研究工作[3]，為高轉矩密度電機的研制提供了新的途徑。2008年，上海大學張東等人將磁性齒輪和無刷直流電機進行整合提出一種新型外轉子磁齒輪復合電機[4]，實現(xiàn)了低速大轉矩的直接驅動方式，同時充分利用了磁齒輪的內部空間，從而提高了整個傳動系統(tǒng)的效率，但是該復合電機結構復雜，具有三層氣隙，并且轉矩波動大。2011年，香港理工大學傅為農教授將磁性齒輪和傳統(tǒng)的外轉子永磁電機、盤式永磁電機進行整合，設計出徑向磁通調制式復合電機和軸向磁通調制式復合電機。與徑向磁通調制式復合電機相比較，軸向磁通調制式復合電機具有結構簡單，制造方便并且易于安裝在電動汽車輪胎里面作為輪轂電機[5]。然而，此軸向磁通調制式復合電機由于調磁環(huán)兩邊是氣隙，氣隙數較多且不方便固定。

在此基礎上,我們提出了一種新型軸向磁通調制式復合電機，本文詳細闡述了新型軸向磁通調制式復合電機的拓撲結構和工作原理，并通過有限元方法分析了電機的電磁特性，驗證了該電機優(yōu)良的轉矩特性以及用作新能源電動汽車驅動電機的可行性。

1 電機結構

1.1 徑向磁通調制式復合電機結構

徑向磁通調制式復合電機的模型圖如圖1所示，其內定子電樞繞組上接三相交流電源，產生具有3對極的旋轉磁場，外轉子內表面貼有22對永磁體，并且按照Halbach方式充磁。位于定子和轉子中間的調磁環(huán)由25個導磁塊和25個非導磁塊交替排列組成，用來調制電樞繞組產生的高速旋轉磁場和轉子永磁極產生的低速旋轉磁場[6]。

圖1 徑向磁通調制式復合電機模型圖

1.2 傳統(tǒng)的軸向磁通調制式復合電機結構

傳統(tǒng)的軸向磁通調制式復合電機的模型圖如圖2所示，此電機為對稱的盤式結構，中間是內定子，內定子兩邊開槽，其上嵌套有環(huán)形電樞繞組，接三相交流電源。雙外轉子的內表面分別貼有22對永磁體，用Halbach方式進行充磁。內定子和外轉子中間分別是兩個調磁環(huán)，分別由25個導磁塊和25個非導磁塊交替排列組成。與徑向磁通調制式復合電機相比較，此電機的制造和安裝工藝都更加簡單，除此之外，其特殊的盤式結構使其能夠作為輪轂電機使用。因此電動汽車的前后輪可以進行串并聯(lián)驅動，而不需要機械上的耦合。然而，此電機在定子的每一側都具有兩個氣隙，共4層氣隙，這就削弱了電機的機械穩(wěn)定性，并且各導磁塊之間必須穿插非導磁塊來將其固定。

圖2 傳統(tǒng)軸向磁通調制式復合電機模型圖

1.3 新型軸向磁通調制式復合電機結構

本文提出的新型軸向磁通調制式復合電機的模型圖如圖3所示，其內定子結構和雙外轉子結構分別和傳統(tǒng)的軸向磁通調制式復合電機相同，差別就在于，此電機中內定子的每一側只有1層氣隙，因此電機的制造和安裝程序要比傳統(tǒng)結構的更加簡單。并且此電機將導磁塊直接貼在內定子表面，省去了非導磁材料的使用。此新型軸向磁通調制式復合電機不僅節(jié)約了電機制造成本，提高了電機的穩(wěn)態(tài)運行性能，而且各個導磁塊之間形成了自然的通風道，更加有利于電機的散熱。3種電機的設計數據如表1所示。

圖3 新型軸向磁通調制式復合電機模型圖

參數/單位徑向傳統(tǒng)軸向新型軸向頻率f/Hz220220220軸向長度l/mm646464外徑D1/mm184184184內徑D2/mm606060永磁體厚度hp/mm7.83.9*23.9*2調磁鐵塊厚度hf/mm6.56.5*26.5*2調磁環(huán)與永磁體間氣隙長度l1/mm0.60.6*20.6*2調磁環(huán)與內定子間氣隙長度l2/mm0.60.6*20外轉子永磁極對數2222*222*2調磁鐵塊個數2525*225*2內定子極對數33*23*2內定子槽數1818*218*2

2 工作原理

磁通調制式復合電機的工作原理與新型磁性齒輪的工作原理相似，都是使用中間的調磁環(huán)來調節(jié)高速旋轉磁場和低速旋轉磁場，但是復合電機的高速旋轉磁場是由內定子電樞繞組產生而不是由旋轉的永磁極產生。由內定子電樞繞組和外轉子永磁體產生的磁密空間諧波的極對數之間的關系如下式：

式中：m=1,3,5,...,;k=0,±1,±2,±3,...,±;p為外轉子永磁體極對數，ns為調磁環(huán)調磁鐵塊的個數。內定子電樞繞組產生的磁密空間諧波的轉速可表示：

式中：ωr為永磁轉子的轉速，則可得到轉速比：

為了盡可能減小電機轉矩脈動，從而減小電機運行時的振動噪聲等問題，在進行復合電機設計時，外轉子上永磁體極對數和調磁鐵塊的個數應該設計的足夠大并且互相接近[4]。外轉子的額定轉速取決于外轉子上永磁體極對數，因此大的永磁體極對數可以得到較低的額定轉速。由于調磁鐵塊個數ns和永磁體極對數p比較接近，內定子極對數ps較小，所以定子槽數可以相應減少，從而減小漏磁、提高槽滿率。對于本文所分析的3個電機，取ps=3，ns=25，p=22,則轉速傳動比Gr=-7.33。電機中所接電源頻率為220 Hz，電機永磁轉子的額定轉速為600 r/min。

3 電機性能分析

磁通調制式復合電機中，內定子、外轉子以及調磁環(huán)之間的磁場相互耦合，而且電機是靠諧波磁場來傳動轉矩的，所以用傳統(tǒng)的磁路分析法對電機的性能進行精確的分析是非常困難的。

本文通過有限元方法來對以上三個電機進行仿真分析，并對其穩(wěn)態(tài)性能進行定量比較，來證明本文提出的新型軸向磁通調制式復合電機的可行性。為了對三個電機的性能進行公平比較，必須設立以下幾個比較原則：

(1)假定三個電機的軸向長度，外徑大小，電樞繞組所加電源的相數，調磁鐵塊寬度和厚度以及永磁體的用量和厚度都是一樣的[5]。

(2)保證額定運行情況下，三個電機的溫升是一樣的。電機的溫升與電機的總損耗是成正比例關系的，又由于鐵心損耗在總損耗中所占比例比較小，認為三個電機的溫升主要由銅耗決定，溫升相同則銅耗相同。

下面對3臺電機的磁通密度分布、堵轉轉矩、額定轉矩、空載反電勢以及齒槽轉矩等穩(wěn)態(tài)運行特性進行分析。

3.1 磁通密度分布

圖4為空載運行情況下，徑向磁通調制式復合電機的磁力線分布圖。從圖中可以看出，外轉子永磁體產生的磁力線大部分通過中間的調磁鐵塊進入內層氣隙。圖5為額定運行情況下，新型軸向磁通調制式復合電機的磁密分布圖，調磁鐵塊部分的磁密值較大。傳統(tǒng)軸向磁通調制式復合電機磁密分布圖與新型軸向磁通調制式復合電機相類似，文中省略。

圖4 徑向磁通調制式復合電機磁力線分布圖

圖5 新型軸向磁通調制式復合電機磁密分布圖

在外轉子永磁體不充磁情況下，給定子電樞繞組通三相正弦電流，經過調磁環(huán)調制后的外層氣隙磁密波形和相應的諧波分布如圖6所示。從圖中可以明顯看出，由于電機中調磁環(huán)的存在，氣隙磁密不再呈正弦波分布，存在較大的諧波成分。而且從諧波分布圖中可以看出，最大的諧波次數為22次，此22次諧波磁場與22對極外轉子永磁體產生的旋轉磁場進行耦合，這就證明了磁通調制的原理的正確性。

(a) 徑向磁通調制式復合電機

(b) 傳統(tǒng)軸向磁通調制式復合電機

(c) 新型軸向磁通調制式復合電機

圖6 外層氣隙磁密分布圖

3.2 堵轉轉矩

當電機堵轉運行情況下，3個電機的堵轉轉矩波形如圖7所示。從圖7中可以看出，徑向磁通調制式復合電機、傳統(tǒng)的軸向磁通調制式復合電機以及新型軸向磁通調制式復合電機的堵轉轉矩的峰值分別為70 N·m，83 N·m和95 N·m。顯然，新型軸向磁通調制式復合電機的過載能力要比其他兩個電機的過載能力強。

3.3 額定轉矩

額定運行情況下的轉矩波形如圖8所示，經過定量分析可知，徑向磁通調制式復合電機、傳統(tǒng)軸向磁通調制式復合電機以及新型軸向磁通調制式復合電機的平均穩(wěn)態(tài)轉矩值分別為50 N·m，60 N·m和78 N·m。即，新型磁通調制式復合電機的額定轉矩要比徑向磁通調制式復合電機和傳統(tǒng)的軸向磁通調制式復合電機分別高出56%和30%。

圖8 額定轉矩

3.4 空載反電勢

電機在空載運行情況下，轉子轉速為額定轉速，反電勢波形如圖9所示。可以看出這3個電機的空載反電勢波形都接近正弦波，這就意味著電機通入三相交流電源后，電機的轉矩脈動都比較小。而且可以看出3種的空載反電勢有效值分別為11 V，18.4 V和21.2 V。顯然，當3種電機結構尺寸、永磁體厚度以及用量都相同的情況下，新型磁通調制式復合電機能夠提供更大的額定功率。

(a)徑向磁通調制式復合電機(b)傳統(tǒng)軸向磁通調制式復合電機

(c) 新型軸向磁通調制式復合電機

3.5 齒槽轉矩

對電機運行時轉子上的轉矩脈動進行分析是非常重要的，因為轉矩脈動會對電機的性能產生許多不利的影響[7]。這3個電機的轉矩脈動主要是由轉子表面的永磁體和調磁鐵塊之間的相互作用產生的齒槽轉矩而引起的。齒槽轉矩波形如圖10所示，結合圖8所示電機的額定轉矩波形圖，可以得出徑向磁通調制式復合電機、傳統(tǒng)的軸向磁通調制式復合電機以及新型軸向磁通調制式復合電機的轉矩脈動分別為0.7%，0.96%和0.97%?？梢娺@三個電機的轉矩脈動都非常的小，能夠滿足電動汽車對驅動電機轉矩脈動的要求，這是由于轉子永磁體極對數與調磁鐵塊個數的最小公倍數選取得比較好的結果。

圖10 齒槽轉矩波形圖

4 結 語

本文提出了一種新型軸向磁通調制式復合電機，并對其穩(wěn)態(tài)性能進行了分析研究。此電機比傳統(tǒng)的軸向磁通調制式復合電機少了2層氣隙，結構簡單、安裝方便，自然形成的通風道便于散熱。通過有限元的方法對此電機、徑向磁通調制式復合電機以及傳統(tǒng)的軸向磁通調制式復合電機的性能進行分析計算，結果表明，新型軸向磁通調制式復合電機具有低速大轉矩、高功率密度以及較小的轉矩脈動的性能，這就證明了此新型磁通調制式復合電機應用在電動汽車驅動領域的可行性和優(yōu)越性。

[1] FAN Ying,JIANG Hehe,CHEN Ming.An improved magnetic-geared permanent magnet in-wheel motor for electric vehicles[C]//IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference.IEEE,2010.

[2] ATALLAH K,HOWE D.A novel high performance magnetic gear[J].IEEE Transactions on Magnetics,2001,37(4):2844-2846.

[3] RASMUSSEN P O,ANDERSEN T O,JOERGENSEN F T.Development of a high performance magnetic gear[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2005,41(3):764-770.

[4] 張東.新型外轉子磁齒輪復合電機的設計與研究[J].中國電機工程學報,2008,28(30):67-72.

[5] HO S L,NIU Shuangxia,FU Weinong.Design and analysis of a novel axial-flux electric machine[J].IEEE Transactions on Magnetics,2011,47(10):4368-4371.

[6] ZHU Xiaoyong,SUN Yanbiao.A novel magnetic-geared doubly salient permanent magnet machine for low-speed high-torque applications[C]//Electrical Machines and Systems(ICEMS).2011.

[7] DEODHAR R P,STATON D A.Prediction of cogging torque using the flux-MMF diagram technique[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1996,32(3):569-576.

A Novel Axial-Flux-Modulated Electric Machine with an Improved Structure

ZHANGYan，XIEYing，LIANGuo-yi，LIUHai-dong

(Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)

An novel low-speed axial-flux-modulated(AFM) magnetic-geared permanent magnet in-wheel motor with high torque density for electric vehicles (EVs) was presented.Compared with the original AFM motor,it has advantages including high torque density and simple structure.The operating principle of the novelaxial-flux-modulated motor(NAFMM) was discussed and its steady performances were compared with the radial-flux-modulated motor(RFMM) and the original axial-flux-modulated motor(OAFMM) which has two airgaps, using the time stepping finite element method(TS-FEM).The simulation results verify the feasibility of the NAFMM and its excellent torque performance.

axial-flux-modulated electric machine； electric vehicle； finite element method； magnetic gear； low-speed and high-torque

2015-07-16

國家自然科學基金項目(51107022)；哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項基金項目(RC2014QN007005);黑龍江省杰出青年科學基金項目(JJ2016JQ0049);人社部留學人員科技活動項目擇優(yōu)資助項目

TM351

A

1004-7018(2016)09-0019-04

張巖(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為電機電磁場。