張 巖，謝 穎，連國一，劉海東

(哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱150080)

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新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

張 巖，謝 穎，連國一，劉海東

(哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱150080)

提出了一種新型的低速軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)，該電機(jī)主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車上。與傳統(tǒng)的軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)相比，具有轉(zhuǎn)矩密度大、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。介紹了該電機(jī)的工作原理，并通過有限元分析的方法對此電機(jī)與傳統(tǒng)的軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)以及徑向式磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行了分析與比較。計(jì)算結(jié)果證明了新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電設(shè)計(jì)合理，具有低速大轉(zhuǎn)矩的性能，在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域具有一定的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)；電動(dòng)汽車；有限元方法；磁性齒輪；低速大轉(zhuǎn)矩

0 引 言

近年來,由于能源危機(jī)和環(huán)境的不斷惡化，新能源電動(dòng)汽車的發(fā)展得到了廣泛關(guān)注，對作為其核心部件的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行深入研究迫在眉睫。在現(xiàn)有許多電動(dòng)汽車中采用機(jī)械齒輪機(jī)構(gòu)來對電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行傳動(dòng)，但是機(jī)械齒輪需要潤滑和冷卻，同時(shí)會(huì)帶來很大的噪聲和振動(dòng)，影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。由此人們提出了采用能夠產(chǎn)生低速大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)來進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)。眾所周知，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)的體積成反比例關(guān)系，為了滿足低速大轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動(dòng)的需求，電機(jī)就會(huì)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(jù)磁場調(diào)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(xué)者根據(jù)磁性齒輪磁力傳動(dòng)、無機(jī)械接觸的特點(diǎn)，從理論和樣機(jī)的具體實(shí)踐上完成了一種新型磁性齒輪的研究工作[3]，為高轉(zhuǎn)矩密度電機(jī)的研制提供了新的途徑。2008年，上海大學(xué)張東等人將磁性齒輪和無刷直流電機(jī)進(jìn)行整合提出一種新型外轉(zhuǎn)子磁齒輪復(fù)合電機(jī)[4]，實(shí)現(xiàn)了低速大轉(zhuǎn)矩的直接驅(qū)動(dòng)方式，同時(shí)充分利用了磁齒輪的內(nèi)部空間，從而提高了整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，但是該復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有三層氣隙，并且轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大。2011年，香港理工大學(xué)傅為農(nóng)教授將磁性齒輪和傳統(tǒng)的外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)、盤式永磁電機(jī)進(jìn)行整合，設(shè)計(jì)出徑向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)和軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)。與徑向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)相比較，軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便并且易于安裝在電動(dòng)汽車輪胎里面作為輪轂電機(jī)[5]。然而，此軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)由于調(diào)磁環(huán)兩邊是氣隙，氣隙數(shù)較多且不方便固定。

在此基礎(chǔ)上,我們提出了一種新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)，本文詳細(xì)闡述了新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，并通過有限元方法分析了電機(jī)的電磁特性，驗(yàn)證了該電機(jī)優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性以及用作新能源電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的可行性。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 徑向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)

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

圖1 徑向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)模型圖

1.2 傳統(tǒng)的軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)的模型圖如圖2所示，此電機(jī)為對稱的盤式結(jié)構(gòu)，中間是內(nèi)定子，內(nèi)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(zhuǎn)子的內(nèi)表面分別貼有22對永磁體，用Halbach方式進(jìn)行充磁。內(nèi)定子和外轉(zhuǎn)子中間分別是兩個(gè)調(diào)磁環(huán)，分別由25個(gè)導(dǎo)磁塊和25個(gè)非導(dǎo)磁塊交替排列組成。與徑向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)相比較，此電機(jī)的制造和安裝工藝都更加簡單，除此之外，其特殊的盤式結(jié)構(gòu)使其能夠作為輪轂電機(jī)使用。因此電動(dòng)汽車的前后輪可以進(jìn)行串并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，而不需要機(jī)械上的耦合。然而，此電機(jī)在定子的每一側(cè)都具有兩個(gè)氣隙，共4層氣隙，這就削弱了電機(jī)的機(jī)械穩(wěn)定性，并且各導(dǎo)磁塊之間必須穿插非導(dǎo)磁塊來將其固定。

圖2 傳統(tǒng)軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)模型圖

1.3 新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)結(jié)構(gòu)

本文提出的新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)的模型圖如圖3所示，其內(nèi)定子結(jié)構(gòu)和雙外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分別和傳統(tǒng)的軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)相同，差別就在于，此電機(jī)中內(nèi)定子的每一側(cè)只有1層氣隙，因此電機(jī)的制造和安裝程序要比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的更加簡單。并且此電機(jī)將導(dǎo)磁塊直接貼在內(nèi)定子表面，省去了非導(dǎo)磁材料的使用。此新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)不僅節(jié)約了電機(jī)制造成本，提高了電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能，而且各個(gè)導(dǎo)磁塊之間形成了自然的通風(fēng)道，更加有利于電機(jī)的散熱。3種電機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)模型圖

參數(shù)/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(nèi)徑D2/mm606060永磁體厚度hp/mm7.83.9*23.9*2調(diào)磁鐵塊厚度hf/mm6.56.5*26.5*2調(diào)磁環(huán)與永磁體間氣隙長度l1/mm0.60.6*20.6*2調(diào)磁環(huán)與內(nèi)定子間氣隙長度l2/mm0.60.6*20外轉(zhuǎn)子永磁極對數(shù)2222*222*2調(diào)磁鐵塊個(gè)數(shù)2525*225*2內(nèi)定子極對數(shù)33*23*2內(nèi)定子槽數(shù)1818*218*2

2 工作原理

磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)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(diào)磁環(huán)來調(diào)節(jié)高速旋轉(zhuǎn)磁場和低速旋轉(zhuǎn)磁場，但是復(fù)合電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)磁場是由內(nèi)定子電樞繞組產(chǎn)生而不是由旋轉(zhuǎn)的永磁極產(chǎn)生。由內(nèi)定子電樞繞組和外轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁密空間諧波的極對數(shù)之間的關(guān)系如下式：

式中：m=1,3,5,...,;k=0,±1,±2,±3,...,±;p為外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)，ns為調(diào)磁環(huán)調(diào)磁鐵塊的個(gè)數(shù)。內(nèi)定子電樞繞組產(chǎn)生的磁密空間諧波的轉(zhuǎn)速可表示：

式中：ωr為永磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，則可得到轉(zhuǎn)速比：

為了盡可能減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而減小電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)噪聲等問題，在進(jìn)行復(fù)合電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，外轉(zhuǎn)子上永磁體極對數(shù)和調(diào)磁鐵塊的個(gè)數(shù)應(yīng)該設(shè)計(jì)的足夠大并且互相接近[4]。外轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速取決于外轉(zhuǎn)子上永磁體極對數(shù)，因此大的永磁體極對數(shù)可以得到較低的額定轉(zhuǎn)速。由于調(diào)磁鐵塊個(gè)數(shù)ns和永磁體極對數(shù)p比較接近，內(nèi)定子極對數(shù)ps較小，所以定子槽數(shù)可以相應(yīng)減少，從而減小漏磁、提高槽滿率。對于本文所分析的3個(gè)電機(jī)，取ps=3，ns=25，p=22,則轉(zhuǎn)速傳動(dòng)比Gr=-7.33。電機(jī)中所接電源頻率為220 Hz，電機(jī)永磁轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速為600 r/min。

3 電機(jī)性能分析

磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)中，內(nèi)定子、外轉(zhuǎn)子以及調(diào)磁環(huán)之間的磁場相互耦合，而且電機(jī)是靠諧波磁場來傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩的，所以用傳統(tǒng)的磁路分析法對電機(jī)的性能進(jìn)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(gè)電機(jī)進(jìn)行仿真分析，并對其穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行定量比較，來證明本文提出的新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)的可行性。為了對三個(gè)電機(jī)的性能進(jìn)行公平比較，必須設(shè)立以下幾個(gè)比較原則：

(1)假定三個(gè)電機(jī)的軸向長度，外徑大小，電樞繞組所加電源的相數(shù)，調(diào)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(yùn)行情況下，三個(gè)電機(jī)的溫升是一樣的。電機(jī)的溫升與電機(jī)的總損耗是成正比例關(guān)系的，又由于鐵心損耗在總損耗中所占比例比較小，認(rèn)為三個(gè)電機(jī)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(jī)的磁通密度分布、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩、空載反電勢以及齒槽轉(zhuǎn)矩等穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行分析。

3.1 磁通密度分布

圖4為空載運(yùn)行情況下，徑向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)的磁力線分布圖。從圖中可以看出，外轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁力線大部分通過中間的調(diào)磁鐵塊進(jìn)入內(nèi)層氣隙。圖5為額定運(yùn)行情況下，新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)的磁密分布圖，調(diào)磁鐵塊部分的磁密值較大。傳統(tǒng)軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)磁密分布圖與新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)相類似，文中省略。

圖4 徑向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)磁力線分布圖

圖5 新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)磁密分布圖

在外轉(zhuǎn)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(jīng)過調(diào)磁環(huán)調(diào)制后的外層氣隙磁密波形和相應(yīng)的諧波分布如圖6所示。從圖中可以明顯看出，由于電機(jī)中調(diào)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(shù)為22次，此22次諧波磁場與22對極外轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場進(jìn)行耦合，這就證明了磁通調(diào)制的原理的正確性。

(a) 徑向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)

(b) 傳統(tǒng)軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)

(c) 新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)

圖6 外層氣隙磁密分布圖

3.2 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩

當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)運(yùn)行情況下，3個(gè)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩波形如圖7所示。從圖7中可以看出，徑向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)、傳統(tǒng)的軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)以及新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)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(diào)制式復(fù)合電機(jī)的過載能力要比其他兩個(gè)電機(jī)的過載能力強(qiáng)。

3.3 額定轉(zhuǎn)矩

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

圖8 額定轉(zhuǎn)矩

3.4 空載反電勢

電機(jī)在空載運(yùn)行情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，反電勢波形如圖9所示?？梢钥闯鲞@3個(gè)電機(jī)的空載反電勢波形都接近正弦波，這就意味著電機(jī)通入三相交流電源后，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(dāng)3種電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸、永磁體厚度以及用量都相同的情況下，新型磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)能夠提供更大的額定功率。

(a)徑向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)(b)傳統(tǒng)軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)

(c) 新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)

3.5 齒槽轉(zhuǎn)矩

對電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)進(jìn)行分析是非常重要的，因?yàn)檗D(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)對電機(jī)的性能產(chǎn)生許多不利的影響[7]。這3個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)主要是由轉(zhuǎn)子表面的永磁體和調(diào)磁鐵塊之間的相互作用產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩而引起的。齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖10所示，結(jié)合圖8所示電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩波形圖，可以得出徑向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)、傳統(tǒng)的軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)以及新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分別為0.7%，0.96%和0.97%?？梢娺@三個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都非常的小，能夠滿足電動(dòng)汽車對驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的要求，這是由于轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)與調(diào)磁鐵塊個(gè)數(shù)的最小公倍數(shù)選取得比較好的結(jié)果。

圖10 齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖

4 結(jié) 語

本文提出了一種新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)，并對其穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行了分析研究。此電機(jī)比傳統(tǒng)的軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)少了2層氣隙，結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，自然形成的通風(fēng)道便于散熱。通過有限元的方法對此電機(jī)、徑向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)以及傳統(tǒng)的軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)的性能進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果表明，新型軸向磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩、高功率密度以及較小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的性能，這就證明了此新型磁通調(diào)制式復(fù)合電機(jī)應(yīng)用在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)領(lǐng)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(zhuǎn)子磁齒輪復(fù)合電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),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(xué)基金項(xiàng)目(51107022)；哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項(xiàng)基金項(xiàng)目(RC2014QN007005);黑龍江省杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(JJ2016JQ0049);人社部留學(xué)人員科技活動(dòng)項(xiàng)目擇優(yōu)資助項(xiàng)目

TM351

A

1004-7018(2016)09-0019-04

張巖(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)電磁場。