磁齒輪在電動汽車中的運用研究

井立兵?++楊楠++李海軍++王歸新

摘要：針對磁齒輪的優點及電動汽車爬坡性能差的特點，本文對磁齒輪進行正弦充磁，分析其氣隙磁場分布情況，制作樣機并驗證傳動比及傳動效率；最后驗證了使用磁齒輪的電動汽車在爬坡性能上強于一般的電動汽車。

關鍵詞：磁齒輪；轉矩密度；氣隙磁場；電動汽車

【中圖分類號】U469.72

本論文研究目的是探索磁齒輪在電動汽車中的應用。目前國內在此領域的研究人員還不多，但已有越來越多的人注意到磁齒輪的優點，國外的研究一直在深入，比如英國人，從理論上分析了磁齒輪的原理及運行規律，并且制作了一種新型磁齒輪樣機，試驗表明新型磁齒輪有較大的轉矩密度，且傳遞效率也非常高。這對新能源汽車，特別是純電動汽車來說，可以替代傳統的傳動機構，特別是低速大轉矩場合，磁齒輪有更美好的應用前景。

一、磁齒輪傳動原理

從結構上看，磁齒輪主要由3部分構成：內部是具有較少磁極的內轉子永磁體（高速轉子），外部是具有較多磁極的外轉子永磁體（低速轉子），中間固定部分是由高導磁材料和非導磁材料交錯組成的調磁鐵心塊（調磁環），起到調制內、外轉子磁場的作用。由于該磁力齒輪的基本工作原理是依靠齒形定子（調磁環）對磁場進行調制，故將其稱為磁場調制式磁力齒輪[2]。其結構示意圖如圖1所示。

圖1 磁場調制式磁力齒輪結構示意圖 圖2 磁力線的分布

本文采用全局解析法計算具有兩層氣隙的磁齒輪傳動裝置。電磁轉矩是電機實現機電能量轉換重要參數之一，準確計算磁齒輪電磁轉矩是設計、分析磁齒輪性能的關鍵。根據麥克斯韋應力張量法理論，電磁轉矩由切向力產生，如果沿半徑r的圓周積分，則電磁轉矩的表達式為：

（2）

式中Lef為電機氣隙軸向有效長度；r為氣隙中的任意圓周半徑；Br， Bθ分別為半徑r處氣隙磁密的徑向和切向分量。對于選定的半徑，r為常數。

二、磁齒輪磁場計算實例

本文利用以上解析計算模型，對一臺同心式磁力齒輪樣機內外兩層氣隙磁場和電磁轉矩進行計算，

該同心式磁力齒輪磁力線的分布情況如圖2所示。

圖3和圖4分別為內外兩層氣隙徑向磁密和切向磁密解析計算結果和有限元計算結果的比較。

（a） 徑向部分 （b） 切向部分

圖3 內層氣隙中間磁通密度（r=70.5mm）

（a） 徑向部分 （b） 切向部分

圖4 外層氣隙中間磁通密度（r=86.5mm）

從圖中可看到全局解析法計算徑向和切向磁密相對有限元計算結果在波形上十分吻合。

從樣機帶載試驗結果知，同心式磁力齒輪傳動裝置傳遞效率受負載大小影響很大，當負載轉矩大于60N m時，其傳遞效率在90%以上。在負載轉矩達到74N m時，樣機的有效長度對應的輸出轉矩密度達到57.18kN m/m3。

三、結論

本文采用了二維全局解析法計算同心式磁力齒輪磁場分布及電磁轉矩。通過實例模型計算了其空載內外兩層氣隙磁場和電磁轉矩，其計算波形與有限元法計算波形相當一致。而新型磁力齒輪傳動裝置的最大優點就是適用于低轉速大轉矩場合，將同心式磁齒輪傳動裝置應用到電動汽車中，電動汽車的性能可以得到很大的提升，也更有利于推動電動汽車的發展。

參考文獻

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

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