新型轴向磁通调制式复合电机的设计与分析

张 岩，谢 颖，连国一，刘海东

(哈尔滨理工大学，哈尔滨150080)



新型轴向磁通调制式复合电机的设计与分析

张 岩，谢 颖，连国一，刘海东

(哈尔滨理工大学，哈尔滨150080)

提出了一种新型的低速轴向磁通调制式复合电机，该电机主要应用于电动汽车上。与传统的轴向磁通调制式复合电机相比，具有转矩密度大、结构简单等优点。介绍了该电机的工作原理，并通过有限元分析的方法对此电机与传统的轴向磁通调制式复合电机以及径向式磁通调制式复合电机的稳态运行特性进行了分析与比较。计算结果证明了新型轴向磁通调制式复合电设计合理，具有低速大转矩的性能，在电动汽车驱动领域具有一定的研究意义和应用价值。

磁通调制式复合电机；电动汽车；有限元方法；磁性齿轮；低速大转矩

0 引 言

近年来,由于能源危机和环境的不断恶化，新能源电动汽车的发展得到了广泛关注，对作为其核心部件的驱动电机进行深入研究迫在眉睫。在现有许多电动汽车中采用机械齿轮机构来对电机转矩进行传动，但是机械齿轮需要润滑和冷却，同时会带来很大的噪声和振动，影响驱动系统的效率。由此人们提出了采用能够产生低速大转矩的电机来进行直接驱动。众所周知，电机的转速与电机的体积成反比例关系，为了满足低速大转矩直接驱动的需求，电机就会大而笨重[1]，功率密度低。

为了解决上述问题，2001年，英国的D.Howe教授根据磁场调制原理提出一种新型同心式磁性齿轮[2]。丹麦的P.O.Rasmussen等学者根据磁性齿轮磁力传动、无机械接触的特点，从理论和样机的具体实践上完成了一种新型磁性齿轮的研究工作[3]，为高转矩密度电机的研制提供了新的途径。2008年，上海大学张东等人将磁性齿轮和无刷直流电机进行整合提出一种新型外转子磁齿轮复合电机[4]，实现了低速大转矩的直接驱动方式，同时充分利用了磁齿轮的内部空间，从而提高了整个传动系统的效率，但是该复合电机结构复杂，具有三层气隙，并且转矩波动大。2011年，香港理工大学傅为农教授将磁性齿轮和传统的外转子永磁电机、盘式永磁电机进行整合，设计出径向磁通调制式复合电机和轴向磁通调制式复合电机。与径向磁通调制式复合电机相比较，轴向磁通调制式复合电机具有结构简单，制造方便并且易于安装在电动汽车轮胎里面作为轮毂电机[5]。然而，此轴向磁通调制式复合电机由于调磁环两边是气隙，气隙数较多且不方便固定。

在此基础上,我们提出了一种新型轴向磁通调制式复合电机，本文详细阐述了新型轴向磁通调制式复合电机的拓扑结构和工作原理，并通过有限元方法分析了电机的电磁特性，验证了该电机优良的转矩特性以及用作新能源电动汽车驱动电机的可行性。

1 电机结构

1.1 径向磁通调制式复合电机结构

径向磁通调制式复合电机的模型图如图1所示，其内定子电枢绕组上接三相交流电源，产生具有3对极的旋转磁场，外转子内表面贴有22对永磁体，并且按照Halbach方式充磁。位于定子和转子中间的调磁环由25个导磁块和25个非导磁块交替排列组成，用来调制电枢绕组产生的高速旋转磁场和转子永磁极产生的低速旋转磁场[6]。

图1 径向磁通调制式复合电机模型图

1.2 传统的轴向磁通调制式复合电机结构

传统的轴向磁通调制式复合电机的模型图如图2所示，此电机为对称的盘式结构，中间是内定子，内定子两边开槽，其上嵌套有环形电枢绕组，接三相交流电源。双外转子的内表面分别贴有22对永磁体，用Halbach方式进行充磁。内定子和外转子中间分别是两个调磁环，分别由25个导磁块和25个非导磁块交替排列组成。与径向磁通调制式复合电机相比较，此电机的制造和安装工艺都更加简单，除此之外，其特殊的盘式结构使其能够作为轮毂电机使用。因此电动汽车的前后轮可以进行串并联驱动，而不需要机械上的耦合。然而，此电机在定子的每一侧都具有两个气隙，共4层气隙，这就削弱了电机的机械稳定性，并且各导磁块之间必须穿插非导磁块来将其固定。

图2 传统轴向磁通调制式复合电机模型图

1.3 新型轴向磁通调制式复合电机结构

本文提出的新型轴向磁通调制式复合电机的模型图如图3所示，其内定子结构和双外转子结构分别和传统的轴向磁通调制式复合电机相同，差别就在于，此电机中内定子的每一侧只有1层气隙，因此电机的制造和安装程序要比传统结构的更加简单。并且此电机将导磁块直接贴在内定子表面，省去了非导磁材料的使用。此新型轴向磁通调制式复合电机不仅节约了电机制造成本，提高了电机的稳态运行性能，而且各个导磁块之间形成了自然的通风道，更加有利于电机的散热。3种电机的设计数据如表1所示。

图3 新型轴向磁通调制式复合电机模型图

参数/单位径向传统轴向新型轴向频率f/Hz220220220轴向长度l/mm646464外径D1/mm184184184内径D2/mm606060永磁体厚度hp/mm7.83.9*23.9*2调磁铁块厚度hf/mm6.56.5*26.5*2调磁环与永磁体间气隙长度l1/mm0.60.6*20.6*2调磁环与内定子间气隙长度l2/mm0.60.6*20外转子永磁极对数2222*222*2调磁铁块个数2525*225*2内定子极对数33*23*2内定子槽数1818*218*2

2 工作原理

磁通调制式复合电机的工作原理与新型磁性齿轮的工作原理相似，都是使用中间的调磁环来调节高速旋转磁场和低速旋转磁场，但是复合电机的高速旋转磁场是由内定子电枢绕组产生而不是由旋转的永磁极产生。由内定子电枢绕组和外转子永磁体产生的磁密空间谐波的极对数之间的关系如下式：

式中：m=1,3,5,...,;k=0,±1,±2,±3,...,±;p为外转子永磁体极对数，ns为调磁环调磁铁块的个数。内定子电枢绕组产生的磁密空间谐波的转速可表示：

式中：ωr为永磁转子的转速，则可得到转速比：

为了尽可能减小电机转矩脉动，从而减小电机运行时的振动噪声等问题，在进行复合电机设计时，外转子上永磁体极对数和调磁铁块的个数应该设计的足够大并且互相接近[4]。外转子的额定转速取决于外转子上永磁体极对数，因此大的永磁体极对数可以得到较低的额定转速。由于调磁铁块个数ns和永磁体极对数p比较接近，内定子极对数ps较小，所以定子槽数可以相应减少，从而减小漏磁、提高槽满率。对于本文所分析的3个电机，取ps=3，ns=25，p=22,则转速传动比Gr=-7.33。电机中所接电源频率为220 Hz，电机永磁转子的额定转速为600 r/min。

3 电机性能分析

磁通调制式复合电机中，内定子、外转子以及调磁环之间的磁场相互耦合，而且电机是靠谐波磁场来传动转矩的，所以用传统的磁路分析法对电机的性能进行精确的分析是非常困难的。

本文通过有限元方法来对以上三个电机进行仿真分析，并对其稳态性能进行定量比较，来证明本文提出的新型轴向磁通调制式复合电机的可行性。为了对三个电机的性能进行公平比较，必须设立以下几个比较原则：

(1)假定三个电机的轴向长度，外径大小，电枢绕组所加电源的相数，调磁铁块宽度和厚度以及永磁体的用量和厚度都是一样的[5]。

(2)保证额定运行情况下，三个电机的温升是一样的。电机的温升与电机的总损耗是成正比例关系的，又由于铁心损耗在总损耗中所占比例比较小，认为三个电机的温升主要由铜耗决定，温升相同则铜耗相同。

下面对3台电机的磁通密度分布、堵转转矩、额定转矩、空载反电势以及齿槽转矩等稳态运行特性进行分析。

3.1 磁通密度分布

图4为空载运行情况下，径向磁通调制式复合电机的磁力线分布图。从图中可以看出，外转子永磁体产生的磁力线大部分通过中间的调磁铁块进入内层气隙。图5为额定运行情况下，新型轴向磁通调制式复合电机的磁密分布图，调磁铁块部分的磁密值较大。传统轴向磁通调制式复合电机磁密分布图与新型轴向磁通调制式复合电机相类似，文中省略。

图4 径向磁通调制式复合电机磁力线分布图

图5 新型轴向磁通调制式复合电机磁密分布图

在外转子永磁体不充磁情况下，给定子电枢绕组通三相正弦电流，经过调磁环调制后的外层气隙磁密波形和相应的谐波分布如图6所示。从图中可以明显看出，由于电机中调磁环的存在，气隙磁密不再呈正弦波分布，存在较大的谐波成分。而且从谐波分布图中可以看出，最大的谐波次数为22次，此22次谐波磁场与22对极外转子永磁体产生的旋转磁场进行耦合，这就证明了磁通调制的原理的正确性。

(a) 径向磁通调制式复合电机

(b) 传统轴向磁通调制式复合电机

(c) 新型轴向磁通调制式复合电机

图6 外层气隙磁密分布图

3.2 堵转转矩

当电机堵转运行情况下，3个电机的堵转转矩波形如图7所示。从图7中可以看出，径向磁通调制式复合电机、传统的轴向磁通调制式复合电机以及新型轴向磁通调制式复合电机的堵转转矩的峰值分别为70 N·m，83 N·m和95 N·m。显然，新型轴向磁通调制式复合电机的过载能力要比其他两个电机的过载能力强。

3.3 额定转矩

额定运行情况下的转矩波形如图8所示，经过定量分析可知，径向磁通调制式复合电机、传统轴向磁通调制式复合电机以及新型轴向磁通调制式复合电机的平均稳态转矩值分别为50 N·m，60 N·m和78 N·m。即，新型磁通调制式复合电机的额定转矩要比径向磁通调制式复合电机和传统的轴向磁通调制式复合电机分别高出56%和30%。

图8 额定转矩

3.4 空载反电势

电机在空载运行情况下，转子转速为额定转速，反电势波形如图9所示。可以看出这3个电机的空载反电势波形都接近正弦波，这就意味着电机通入三相交流电源后，电机的转矩脉动都比较小。而且可以看出3种的空载反电势有效值分别为11 V，18.4 V和21.2 V。显然，当3种电机结构尺寸、永磁体厚度以及用量都相同的情况下，新型磁通调制式复合电机能够提供更大的额定功率。

(a)径向磁通调制式复合电机(b)传统轴向磁通调制式复合电机

(c) 新型轴向磁通调制式复合电机

3.5 齿槽转矩

对电机运行时转子上的转矩脉动进行分析是非常重要的，因为转矩脉动会对电机的性能产生许多不利的影响[7]。这3个电机的转矩脉动主要是由转子表面的永磁体和调磁铁块之间的相互作用产生的齿槽转矩而引起的。齿槽转矩波形如图10所示，结合图8所示电机的额定转矩波形图，可以得出径向磁通调制式复合电机、传统的轴向磁通调制式复合电机以及新型轴向磁通调制式复合电机的转矩脉动分别为0.7%，0.96%和0.97%。可见这三个电机的转矩脉动都非常的小，能够满足电动汽车对驱动电机转矩脉动的要求，这是由于转子永磁体极对数与调磁铁块个数的最小公倍数选取得比较好的结果。

图10 齿槽转矩波形图

4 结 语

本文提出了一种新型轴向磁通调制式复合电机，并对其稳态性能进行了分析研究。此电机比传统的轴向磁通调制式复合电机少了2层气隙，结构简单、安装方便，自然形成的通风道便于散热。通过有限元的方法对此电机、径向磁通调制式复合电机以及传统的轴向磁通调制式复合电机的性能进行分析计算，结果表明，新型轴向磁通调制式复合电机具有低速大转矩、高功率密度以及较小的转矩脉动的性能，这就证明了此新型磁通调制式复合电机应用在电动汽车驱动领域的可行性和优越性。

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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

国家自然科学基金项目(51107022)；哈尔滨市科技创新人才研究专项基金项目(RC2014QN007005);黑龙江省杰出青年科学基金项目(JJ2016JQ0049);人社部留学人员科技活动项目择优资助项目

TM351

A

1004-7018(2016)09-0019-04

张岩(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为电机电磁场。