（电机与电器专业论文）轮毂多盘式无铁心永磁同步电动机的设计与分析.pdf

a b s t r a c t t h ed i s cp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) h a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c so f s h o r ta x i a ls i z e ，l i g h tm a s s ，s m a l lv o l u m e ，c o m p a c ts t r u c t u r ea n dh i g he f f i c i e n c y a sa h i g hp e r f o r m a n c es e r v e dm o t o ra n dh i g hm o m e n td r i v ed e v i c e ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di n t h er o b o ta n de l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t i o np r o d u c t s t h ed e s i g na n de l e c t r o m a g n e t i c f i e l da n a l y s i so fw h e e lm u l t i - d i s cc o r e l e s sp m s mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h en o v e l p m s mi sd e v e l o p i e da n dc o r r e l a t i v ep r o b l e m so fd e s i g na n di n t e g r a t i o nt e c h n o l o g ya r c s o l v e d t h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h ed i s cc o r e l e s sp m s ma r cr e s e a r c h e d t h eb a s i co p e r a t i n g p r i n c i p l eo f t h ed i s cc o r e l e s sp m s ma n di t sc h a r a c t e r i s t i c so f t h em a g n e t i cc i r c u i ta r ea l s o s t u d i e d t h em u l t i d i s cc o r e l e s sp m s mb a s e do nt h eb a s i cs t r u c t u r ea n dt h r e es t a t o r sw i t h t w or o t o rd i s c sc o r e l e s sp m s ma r ep r o p o s e d i no r d e rt oi m p r o v et h ep o w e rd e n s i t yo ft h e m a c h i n e ，h a l b a c ha r r a yi su s e di nt h em u l t i d i s cc o r e l e s sp m s m t h i sa l s om a k e s c o r e l e s sm o t o r p o s s i b l e i no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ec a l c u l a t i o n 3 一df e mi s u s e dt oc o m p u t ea n da n a l y z et h em a g n e t i cf i e l do f t h em u l t i - d i s cc o r e l e s sp m s m t h es i m i l a ra n a l y t i c a lm e t h o d sa b o u tt h eu n i tm a c h i n ea l eu s e di nt h em u l t i - d i s c s t r u c t u r e t h ed e s i g nr u l e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h em o t o ra r ea n a l y z e d a san e wt y p e o ft h r e es t a t o r sw i t ht w or o t o rd i s c sc o r e l e s sp m s m ，t h em a g n e t i cc i r c u i to ft h em o t o r b e c o m ev e r yc o m p l i c a t e d t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o ra i rg a pf l u x d e n s i t yi sa d o p t e dt od i s c u s st h ei m p a c to fa x i a la n dh a l b a c ha r r a yp e r m a n e n tm a g n e to n l a t e r a lr o t o rd i s c s i no r d e rt od e v e l o pt h ei m p a c to fp e r m a n e n tm a g n e to ni n t e r m e d i a t e r o t o rd i s c ，a na n a l y s i sf o ra i rg a pf l u xd e n s i t yi sa l s oc a r r i e do u t a n dt h es t r u c t u r eo ft h e m o t o ri so p t i m i z e d t h e r ea l em a n yd i f f e r e n c e si np a r a m e t e rc a l c u l a t i o nb e t w e e nm u l t i - d i s cc o r e l e s s p m s ma n dc o m m o np e r m a n e n tm a g n e tm o t o r t h er e l a t e df o r m u l a sa l ed e d u c e d t h e e l e c t r o m a g n e t i cc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h em o t o ri ss u m m e du pb a s e do n3 - df e m f u r t h e r m o r e ，t h er e l e v a n td e s i g np a r a m e t e r so f a5 k wm u l t i - d i s cc o r e l e s sp m s ma r ea l s o p r e s e n t e di nt h ep a p e r t h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo f t h en o v e lm o t o r i sa l s os u m m e du p k e yw o r d s ：w h e e l ，m u l t i - d i s cc o r e l e s s ，p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ， h a l b a c ha r r a y ，3 - df e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：裔哥藿签字只期：如叩年月箩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权苤壅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： ，a 彳杰 导师签名： 签字同期：弦矸年乡月岁同 签字f 1 期： 签字同期：弦砰年占月岁同 签字f 1 期： 抛立 6 月j r 第一章绪论 第一章绪论 2 l 世纪，人类将面临严峻的能源和环境挑战，研究开发节能、环保和安全的汽 车是实现交通可持续发展的必由之路。其中，电动汽车以其在使用过程超低排放 零排放、能源利用多元化和高效化、便于实现智能化控制等方面的技术优势备受重 视，呈现加速发展态势。在电动汽车诸多电力驱动系统型式中，轮毂电机动力系统 倍受关注，轮毂电机作为驱动系统的关键部分正逐渐成为电动汽车领域的研究重点 和研究热点。 与内燃机汽车和单电机集中驱动电动汽车相比，轮毂电机具有显著的优势。轮 毂电机将动力控制由硬连接改为软连接型式；通过电子线控技术，实现各电动轮从 零到最大速度的无级变速和各电动轮间的差速要求，省略了传统汽车所需的机械式 操纵换档装置、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等，使得驱动系统和整车结 构简洁、空间有效利用、传动效率提高；同时容易实现各电动轮的电气制动、机电 复合制动和制动能量回馈，节约能源。从目前发展趋势以及各种驱动技术的特点来 看，轮毂电机将是电动汽车的最终驱动形式。 1 1 轮毂电机国内外的发状况 轮毂电机又称为车轮内装式电机。早在2 0 世纪5 0 年代初，美国人罗伯特就发 明了一种将电动机、传动系统和制动系统融为一体的轮毂装置。该轮毂于1 9 6 8 年被 通用电气公司应用在大型的矿用自卸车上。近年来，随着电动汽车的兴起，轮毂电 机重新引起了人们的重视。轮毂电机驱动系统的布置非常灵活，它可以使电动汽车 成为2 个前轮驱动、2 个后轮驱动或4 轮驱动。 轮毂式电动汽车是一种新兴的驱动式电动汽车，发展至今主要有两种基本形式， 即直接驱动式电动轮和带轮边减速器电动轮分别如图1 1 和图1 2 。这取决于是采用 低速外转子还是高速内转子电动机。 直接驱动式电动汽车采用低速外转子电动机，电动轮与车轮组成一个完整部件 总成，采用电子差速方式，电机布置在车轮内部，直接驱动车轮带动汽车行驶。这 种结构的主要优点是电机体积小、质量轻和成本低，系统传动效率高，结构紧凑， 既有利于整车结构布置和车身设计，也便于改型设计。这种电动轮直接将外转子安 装在车轮的轮辋上驱动车轮转动。然而电动汽车在起步时需要较大的转矩，也就是 说安装在直接驱动型电动轮中的电动机必须能在低速时提供大转矩。为了使汽车能 第章绪论 够有较好的动力性，电动机还必须具有很宽的转矩和转速调节范围。由于电机工作 产生一定的冲击和振动，要求车轮轮辋和车轮支承必须坚固、可靠，同时由于非簧 载质量大，要保证车辆的舒适性，要求对悬架系统弹性元件和阻尼元件进行优化设 计，电机输出转矩和功率也受到车轮尺寸的限制，系统成本高。 带轮边减速器电动轮电驱动系统采用高速内转子电动机，起源于矿用车的传统 电动轮，属于减速驱动类型，这种电动轮允许电动机在高速下运行，通常电动机的 最高转速设计在4 0 0 0 - - 2 0 0 0 0r r a i n ，其目的是为了能够获得较高的比功率，而对电 动机的其它性能没有特殊要求，可以采用普通的内转子高速电动机。减速机构布置 在电动机和车轮之间，起到减速和增矩的作用，从而保证电动汽车在低速时能够获 得足够大的转矩。电机输出轴通过减速机构与车轮驱动轴连接，使电机轴承不直接 承受车轮与路面的载荷作用，改善了轴承的工作条件；采用固定速比行星齿轮减速 器，使系统具有较大的调速范围和输出转矩，充分发挥驱动电机的调速特性，消除 了电机输出转矩和功率受到车轮尺寸的影响。设计中主要应考虑解决齿轮的工作噪 声和润滑问题，其非簧载质量也比直接驱动式电动轮电驱动系统的大，对电机及系 统内部的结构方案设计要求更高。 、 力 刈酮 妻 一 翩 j 。 嚣 图1 1 直接驱动式电动轮图1 2 带轮边减速器电动轮 轮毂电机系统驱动作为电动汽车的一种重要驱动形式，得到了各大汽车厂商和 组织的重视。自9 0 年代起，日本就推出了一系列轮毂电机系统驱动的电动汽车，如 t e p c o 的i z a ，n i e s 的e c o ，l u c i o l e 等等，最近又有三菱的c o l t 、l a n c e re v o l u tm i e v ， 本田的f c xc o n c e p t 等新车型。通用自2 0 0 2 年开始推出的概念车a u t o n o m y ( f l5 e 魔 力) 、s q u e l 采用的都是轮毂电机系统驱动。与此同时，各大厂商加大了对轮毂电机 第一章绪论 系统的研发力度高性能的新型轮毅电机系统不断涌现，轮毂电机的门类不断丰富， 性能不断提高，著名的轮毂电机厂商有加拿大的t m 4 、美国的w a v e e r e s l 4 搴。其中以 t m 4 生产的轮毂电机尤为典型如图卜3 所示。它采用外转子式永磁电动机，将电动 机转子外壳直接与轮辋相同结，将电动机外壳作为车轮轮辋的组成部分，而且电动 机转于与鼓式制动器的制动鼓集成在一起，宴现电机转子、轮辋以及制动器三个回 转运动物体的集成大大减轻一体化轮毂电机系统质量，集成化程度相当高。该一 体化轮彀电机系统的永磁无席4 直流电动机的额定功率为1 85 k w ，峰值功率可达到 8 0 k w ，峰值扭矩为6 7 0 nm ，颧定转速为9 5 0r m i n ，而且额定工况下的平均效率可 达到9 6 3 t ”。 图1 - 3t m 4 体化轮毂电机系统 国内对电动轮驱动方式的研究也取得了一些进展。同济大学研制的“春障系列 燃料电池概念车采用了4 个直流无刷轮毂电机独立驱动的电动轮模块。比亚迪于 2 0 0 4 年在北京车展上展出的e t 概念车也采用了电动汽车最新驱动方式：4 个轮边 电机独立驱动模式。中国科学院北京三环通用电气公司研制的电动轿车用直流无刷 轮毂电机，又称电动车轮。单个电动车轮功率为7 s k w ，电压2 6 4 v ，双后轮直接驱 动。中船总公司7 2 4 研究所的4 轮电动汽车，其电动机性能指标为；额定功率3 k w ， 额定转速3 0 0 0 r m i n ，额定电压为】1 0 v 。 第一章绪论 1 2 本课题研究的目的和意义 本项目主要研究内容是进行新型结构钕铁硼永磁电机汽车轮毂用多盘式无 铁心永磁同步电动机的设计与集成技术研究，开发出这种新型永磁同步电动机，解 决相应的整机设计问题。盘式永磁同步电动机是近几年发展起来的一种新型电机， 国内外对盘式电机磁场的研究逐渐开展起来，并相继取得了一些成果。但盘式永磁 同步电机中为了减小磁路的磁阻，选用高磁导率的硅钢片叠压制成铁心，铁心的存 在则导致了体积大、重量大、损耗大、震动噪声大等问题。本课题研制的多盘式无 铁心永磁同步电机，不用硅钢片而制成无铁心电机，不但电机重量可以大幅度下降、 效率也可提高，而且振动、噪声大大降低。这种电机轴向尺寸短、重量轻，体积小， 结构紧凑。本电机制成了多气隙组合式结构，进一步提高转矩，特别适合于大力矩 直接驱动装置，可制成性能优越的汽车轮毂电机。 此外在国外，永磁交流伺服电动机的钕铁硼永磁用量占钕铁硼永磁材料总产量 的2 0 左右，仅次于音圈电动机( v c m ) ，是钕铁硼永磁的第二大用户。在国内， 由于技术经济上的问题，国产永磁交流伺服电动机至今未能大量应用。与此同时， 高性能的永磁交流伺服电动机及其系统大量依靠进口，我国每年进口工程装备10 0 0 多亿美元，仅数控机床因国产电机和系统不能满足要求而每年进口2 2 亿美元以上。 本项目的完成将改变该类产品主要依靠进口的局面，并将推动我国稀土永磁材料产 业的发展，扩展钕铁硼永磁材料的应用领域和市场容量，充分发挥我国稀土资源丰 富的优势，其经济效益和社会效益是十分巨大的。 由于多盘式永磁无铁心同步电机具有无转矩波动、控制简单、重量轻等一系列 优点，除了特别适合电动汽车外，还适合一些要求比较特殊的应用场合如手持电动 工具、机械臂、水下推进器等等。该电机的研制成功必将使我国在相关产品的领域 更上一个新的台阶。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题研究的多盘式无铁心永磁同步电动机是一种新型的电机结构，传统的电 机设计方法不再适用。本课题在盘式无铁心永磁同步电动机基本结构的基础上，阐 述了多盘式无铁心永磁体同步电动机的基本结构，并结合该电机的特点进行电机磁 场分析和计算，总结出该新型电机的设计规则。本课题的主要工作包括： ( 1 ) 介绍盘式无铁心电机的主要结构、基本原理和磁路特点，阐述三种多盘式 无铁心永磁同步电动机的基本结构。 4 第一章绪论 ( 2 ) 对多盘式无铁心永磁同步电动机进行三维有限元分析，分析永磁体采用不 同结构对电机气隙磁场的影响，并总结该类电机设计的特点。 ( 3 ) 对三转子双定子结构的多盘式无铁心永磁同步电动机进行优化，包括电机 尺寸优化，分析各转子盘采用不同永磁体阵列结构对气磁场的影响。 ( 4 ) 多盘式无铁心电机采用轴向结构使得电机的有些参数计算与传统电机有很 大的差别。本文在电机电磁场三维有限元分析结果的基础上，结合已有的关于盘式 无铁心电机的计算公式，总结出适用于盘式无铁心电动机电磁计算规律及其设计程 序。 ( 5 ) 研制了一台5 k w 的样机，分析比较三种多盘式无铁心永磁同步电动机的 优劣，对电机永磁加工、线圈加工和整机总装工艺进行了研究。 第二章多盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构 第二章多盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构 2 1 盘式永磁同步电动机的主要结构 盘式永磁同步电动机的气隙磁场是轴向的，所以又称为轴向磁场电机。盘式电 机再度兴起至今有四十多年的历史，目前国外已开发了许多不同种类、不同结构的 盘式永磁同步电机。 盘式永磁同步电动机的典型结构如图2 1 所示，其定、转子均为圆盘形，在电 机中对等放置，产生轴向的气隙磁场。定子铁心由双面绝缘的冷轧钢片带料冲制卷 绕而成，定子绕组有效导体在空间呈径向分布。转子为高磁能积的永磁体和强化纤 维树脂灌封而成的薄圆盘。这种电机的轴向尺寸短、重量轻、体积小、结构紧凑。 由于励磁系统无损耗，电机运行效率高。电机定转子对等排列，定子绕组具有良好 的散热条件，可获得很高的功率密度1 7 i 。 图2 1 盘式永磁同步电动机 盘式永磁同步电机有多种结构型式，按照定转子数量和相对的位置可以大致四 种： ( 1 ) 中间转子结构，这种结构由双定子和单转子组成气隙如图2 2 所示，可使 电机获得最小的转动惯量和最优的散热条件。 ( 2 ) 单定子、单转子结构，这种结构最为简单，但由于其定子同时作为旋转磁 极的磁回路，需要推力轴承以保证转子不至发生轴向串动如图2 3 所示。而且转子 磁场在定子中交变，会引起损耗，导致电机的效率降低。 6 第二章多盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构 ( 3 ) 中间定子结构，由双转子和单定子组成双气隙如图2 4 所示，转子为高性 能材料粘结在实心钢构成的圆盘上，因此这种电机的转动惯量比中间转结构的要大。 ( 4 ) 多盘式结构，这种电机由多定子和多转子交错排列组成多气隙，如图2 5 所示。采用此种结构可以进一步提高盘式永磁同步电动机转矩，特别适合于大力矩 直接驱动装置。 转子永磁 定 子铁心 图2 - 2 中间转予结构图图2 3 单定子、单转子结构 l 翊 铁心 豳 瀵 i 者 螬 封 l 蕊蕊 i i 一r l 淤l 定 图2 4 中间定子结构图图2 5 多盘式结构 2 2 盘式无铁心永磁同步电动机的基本原理和组成特点 2 2 1 盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构 目前所研究的盘式永磁电机的电枢绕组大都包含有铁心，但事实上铁心的存在 往往会导致很多问题，比如：电机质量因为存在铁心而居高不下，铁心重量约占电 机总质量的6 0 左右，而且体积庞大；铁心的存在会引起涡流损耗和磁滞损耗，这 些损耗占电机总损耗的2 0 以上，降低了电机的效率：另外，对于将电枢绕组嵌放 7 第二章多盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构 在铁心槽内的有齿槽电机来说，在电机运行时，齿槽效应将使电机的转矩产生脉动， 降低了电机稳态运行时的功效。 针对这种情况，考虑到如果能利用拥有高矫顽力的永磁材料作为磁极，不用、 或者少用硅钢片，制造成无铁心电机，则电机重量可以大幅度下降、效率提高、振 动噪声显著降低。随着轴向磁通盘式电机制造工艺的发展，应用高矫顽力的永磁材 料作为磁钢并优化磁钢的结构，即使采用无铁心的结构，也可以获得较高的气隙磁 密，并使电机拥有较好的稳态和暂态性能。 本文对单定子双转子结构的盘式无铁心永磁同步电动机做了大量的研究，其基 本结构如图2 - 6 所示。该电机外壳为铝壳，整个电机无任何铁磁物质，且无齿无槽； 电机采用外转子结构，将永磁体直接粘到外壳上，避免了永磁体和外壳相互运动产 生的涡流损耗；定子电枢采用无铁心结构，直接由绕组注塑而成。 图2 - 6 盘式无铁心永磁同步电动机基本结构 2 2 2 永磁体的选择和磁极结构 在永磁电机设计中，我们要尽可能的提高电机本身的磁负荷也就是要增加电机 气隙中的磁通密度，这样不但可以减小电机的体积，还可以提高力能密度。作为永 磁电机要想提高气隙磁密一般从两个方面入手：( 1 ) 永磁材料的选择； ( 2 ) 磁钢 本身的结构。 永磁材料的种类多种多样，性能相差很大，在设计永磁电机时要选择好适宜的 永磁体材料品种和具体的性能指标。归纳起来选择的原则为 7 1 ： ( 1 ) 应能保证电机气隙中有足够大的气隙磁场和规定的电机性能指标。 ( 2 ) 在规定的环境条件、工作温度和使用条件下应能保证磁性能的稳定性。 ( 3 ) 有良好的机械性能，以及方便# n - v 和装配。 ( 4 ) 经济性要好，价格适宜。 第二章多盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构 根据现有的永磁材料的性能和盘式无铁心电机的性能要求，钕铁硼永磁材料在 价格和性能上都占有一定的优势。钕铁硼的永磁材料在室温下剩余磁感应强度研现 可高达1 4 7 t ，磁感应矫顽力总可达9 9 2 k a m ( 1 2 4 k o e ) ，最大的磁能积高达 3 9 7 9 k j m 3 ( 5 0 m g o e ) ，是目前磁性能最高的永磁材料。且钕资源丰富，铁、硼的 价格便宜。因此在盘式无铁心电机中选用钕铁硼永磁材料较为适宜。 在确定永磁体材料之后，具体的磁极结构对电机的性能具有重大的影响。由于 盘式无铁心永磁电机的气隙磁场为轴向磁场，决定了其磁钢必须可以激发出轴向磁 场，且磁场波形要为适应同步电动机的正弦波；并且，由于电枢无铁心，为了制造 出的盘式无铁心永磁同步电机为高力能密度的电机，由磁钢激发出的气隙磁密值应 该尽可能高。为此可选用了一种特殊的磁钢排列方式h a l b a c h 型永磁体阵列来 提高电机的气隙磁密。 h a l b a c h 型永磁体阵列的概念最早是在二十世纪八十年代，由美国劳伦斯伯克 利国家实验室的k l a u sh a l b a c h 教授提出的，并在二十世纪八、九十年代被国内、 外研究机构相继成功应用于新一代的粒子加速器、自由电子激光装置、同步辐射装 置等高能物理领域瞄】。后来，因为h a l b a c h 型永磁体阵列具有许多优良的特性，从 二十世纪九十年代中期开始，国际上逐渐开始重视其在电机领域的应用。 ( c ) ( a ) 径向结构( b ) 切向结构( c ) h a l b a c h 阵列 图2 7 传统结构及h a l b a c h 阵列对比 h a l b a c h 型永磁体阵列的基本结构如图2 - 7 ( c ) 所示，传统设计中永磁体的排列 方式多采用径向或切向结构，如图2 - 7 ( a ) 、( b ) ，h a l b a c h 型永磁体阵列将径向和切 向阵列结合在一起，合成后的结构使得一侧磁场增强，一侧磁场减弱。近年来， 9 第二章多盘式无踟0 永磁同步电动机的基本结构 h a l b a c h 型永磁体阵列在高性能电机领域中的应用研究越来越热，主要是由于其具 有一些适合于电机的优良特性1 ” ： ( 1 ) h a l b a c h 型永磁体阵列可阻得到在空间按理想正弦分布的磁场，可大大减 弱电机的齿槽效应力矩。即使采用每极较少的永磁体段数，也可以得到和理想 h a l b a c h 型永磁体阵列类似的磁场分布。这些特点使得采用h a l b a c h 型永磁体阵列 的电机齿槽效应力矩几乎可以忽略不计，有利于提高电机的性能。采用较少段数的 h a l b a c h 型阵列| 三【及简单绕组和定、转子非斜槽结构，就可以得到理想的正弦分布 的磁场，制造电机的成本不高。 ( 2 ) h a l b a c h 型永磁体阵列的一侧磁场报强，另侧很弱。这特性有助于提 高电机气隙中的磁密，从而提高电机的力能密度和缩小电机体积。同时，可以大大 减弱电机轭部的磁通，即该阵列具有碰自屏蔽特性。既可以大大减小电机本体的漏 磁现象，减少电机对外部环境的电磁干扰；又可以减少轭部铁心的质量，有助于降 低成本；还可以使电机转子质量和转动惯量相应变小，有助于提高电机的动态特性。 ( 3 ) h a l b a e h 型永磁体阵列可以提高电机的效率。与常规的永磁体径向励磁结 构的电机相比，采用h a l b a c h 阵列的电机可以少用或不用铁，t h , 使得空载损耗降f 氐。 ( 4 ) 采用h a l b a c h 型永磁体阵列，可以降低电机的电磁力矩脉动，降低对电 机轴承的要求。 从永磁电机设计的角度看，增加电机气隙中的磁通密度也就是要提高电机本身 的磁负荷，这样不但可以减小电机的体积，还可以提高力能密度。永磁磁钢采用了 h a l b a c h 型永磁体阵列，这一点正是从提高电机气隙磁场密度的龟晓考虑的。h a l b a c h 型永磁体阵列将径向和周向磁场结合起来，这样得 4 的结果可以使一侧的磁场增强， 一侧的磁场减弱。h a l b a c h 型永磁体阵列按照构成每极的块数的不同可以分成每极2 块( 9 0 。) 、3 块( 6 0 。) 和4 块( 4 5 。) ，几种不同的结构 “。其示意图如图2 - 8 所示。 图2 - 82 块( 9 0 。) 、3 块( 6 04 ) 和4 块( 4 5 。) h a l b a c h 型永碰体阵列 第二章多盘式无铁心水磁同步屯动机的基本结构 223 电枢绕组的绕线形式 本文研究的盘式无铁心永磁同步电动机取消了齿槽，屯枢绕组结构直接影响电 机尺0 、电气特性及工艺，与有槽电机相比有明显区别。如前面所述，由于本文研 究的盘式无铁心永磁同步电动机，磁钢选用f l l a l b a c h 结构，可以得到比较理想的气 隙磁密波形，所以可以选择整距绕组。没有丁齿槽的限制，线圈单独绕制，为减少 线圈绕制工作量可以选用单层绕组，并且单层绕组证便于整型l 。 单层链式绕组的线圈具有相同的节距。从整个绕组的外型来看，一环套一环， 形如长链。利用槽数表示的话，链式线幽的节距都为奇数，即线圈的一条线幽边 若是放在偶数槽里，那么此线圈的另一条边则放在奇数槽早。由于本课题所研究 的盘式无铁心永磁同步电动机不具有铁心，故不存在齿槽，所以可以将每个线圈 边近似看成置放在相应的虚槽中。单层绕组的每一个虚槽内只有一个线圈边整 个绕组的线圈数等于总槽数的一半。图2 - 9 为盘式无铁心永磁同步电动机电枢绕 组的结构示意图。 同2 - 9 盘式无铁心水磁同步电动机电框绕组的结构示意圈 2 24 盘式无铁心永磁同步电动机的主磁路分析 本文研究的盘斌无铁心永磁同步电动机的磁场分布比较复杂，其磁场不仅有轴 向的变化，还有径向的变化。因此简单的罐考虑，并不能完整的反应出电机的磁 路特点。就盘式无铁心永磁体同步电动机的主磁路而言，该电机的主磁路同时经由 两条磁路闭合，一条磁路的磁通经过气隙、磁轭和端盖闭合，血i2 1 0 ( 8 ) 所示；另 一条磁路的磁通从侧水磁体的n 极出发，经过气隙及与之相对的承磁体s 极、磁 轭、另一侧水磁伴的n 极，最后再经气隙到选侧永磁体的s 极、穿过磁轭返回 侧水磁体的n 极，为剧向磁路，见图2i o ( b ) 。 第二章多盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构 由于该电机中( 图2 6 ) 各部分磁密分布是不均匀的，不同半径处的磁密强度 也不相同，这就使这种电机的磁路计算较为复杂。而主磁通在磁轭中的特殊分布， 加大了这种电机磁路计算的难度。但是由于电枢无槽无铁心，直接由绕组注塑而成， 可以在进行磁路或磁场分析时，将其磁性能视为与空气相同，即本电机的气隙长度 较长，外加无铁心结构，使得主磁路一般不饱和，磁轭中的磁位差可以忽略，同时 也可以忽略电枢反映。对于电机设计中通常就采用平均直径处如图2 1 0 ( b ) 所示 的磁路作为盘式永磁同步电动机的主磁路进行分析。 j 。 弱露 【 。竖一二 麴l | | | 一 嚣 r ，j 二， 鬻 一j j l -、 鋈 麓0 ： o e 工 冀弱 黔 c 上 鬟 l ，键 ：i 翻 落 c a ) 径向截面( b ) 轴向截面 图2 1 0 盘式无铁心永磁同步电动机主磁路示意图 由该电机的磁路特点，假定磁路不饱和，铁心总的磁位差可以忽略，同时忽略 电枢反应，对采用普通轴向充磁结构的电机模型，有： h 5 6 = 2 h m h m ( 2 - 1 ) 式中h s , 广吩别为气隙和永磁体的磁场强度( a m ) 万电机气隙计算总长度，在数值上等于电机双侧气隙长度与电枢厚度之 和( c m ) ； h 电机永磁体磁化方向长度，即永磁体的厚度( c m ) 。 由磁通连续性原理，有 2 a m b m ；积5 8 6 式中矿漏磁系数，定义为总磁通与气隙主磁通之比值； ( 2 2 ) 第二章多盘式无铂心永磁同步电动机的基本结构 a 。，一永磁体提供的每极磁通面积( c m 2 ) ； 彳厂每极气隙的有效面积( c m 2 ) ； 晶，一永磁体工作点磁密( t ) ； 风气隙磁通密度( t ) ； 若电机的极对数为p ，永磁体的内、外径分别为d m i 和d m o ，极弧系数和计算极弧 系数分别为锡和仍，则有 小专嬲，阢叫2 ，) 以= 专旅以( 。2 。一珑，) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 其中，繇为气隙磁密分布系数，定义为气隙磁密沿圆周分布曲线所对应的幅值 随半径变化曲线的平均值与最大值之比，它同时考虑了气隙磁密的三维分布、边缘 效应和电枢绕组端部伸长对气隙磁密幅值的影响，真实的反映了气隙磁密的三维分 布情况。对于本文采用的以平均半径处的气隙磁密代替实际气隙磁密的磁路计算方 法，需要引入气隙磁密分布系数酶以保证每极的磁通量保持不变。气隙磁密分布系 数是一个经验常数，其值小于l ，一般在0 8 5 , - 0 9 8 范围内。 对于永磁体，其回复线可表示为 b m = - tr hm - i - b t 式中易咏磁体剩余磁感应强度( t ) ； 胁厂分别为回复磁导率和真空磁导率( t ) ； 对于盘式永磁同步电机，一般情况下可近似的取 由( 2 1 ) - ( 2 5 ) n - q 以计算出 a p a | b 2 弼2 b r 口力， ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 第二章多盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构 采用磁路计算的方法，可以近似的认为厨值为l 。加上前面的结论，对于钕铁 硼这种退磁曲线可以近似线性化处理的永磁材料，气隙磁通密度b ；可以近似表示为 驴嘲 ( 2 7 ) 通过把磁场问题简化成磁路问题来加以近似计算处理，可以看出，在选定钕铁 硼作为磁极的永磁材料之后，盘式无铁心永磁电机的气隙磁密与电机的漏磁系数、 气隙长度与磁钢厚度的比值密切相关。这也是电机设计中要重点研究的主要参数。 2 3 多盘式无铁心永磁同步电动机结构及性能 本文在已有的盘式无铁心永磁同步电机基本结构的基础上，设计了基于该单元 结构的多盘式无铁心永磁同步电动机。多盘式结构可以进一步提高电机的转矩和功 率密度，可以满足对转矩要求较高的场合。本课题研究了基于单元盘的组合式结构， 包括基于单元盘均匀气隙多盘式无铁心永磁同步电动机结构和基于单元盘楔形气隙 多盘式无铁心永磁体同步电动机结构，并对三转子双定子结构的多盘式无铁心永磁 同步电动机进行了研究。 2 3 1 基于单元盘均匀气隙多盘式无铁心永磁同步电动机结构 由于单元盘结构的无铁心永磁同步电动机出力受到电机容量的限制，电机的尺 寸也不能做的过大，否则会很大程度上增加电机加工工艺的难度。基于单元盘均匀 气隙多盘式无铁心结构( 如图2 1 1 ) 可以弥补单元盘结构以上不足，而且该多盘电 机的结构也较为简单。 厶 、 ， 一 圈一 图一 、 - 。 ， ：x 剥 、 ：x i 测 ， 一 、 除 、， 刁 腿 塞副 f 图2 11 基于单元盘均匀气隙多盘式无铷心永磁同步电动机结构 1 4 第二章多盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构 基于单元盘均匀气隙多盘式无铁心电机结构的电机由两个无铁心结构的单元盘 电机组合而成，电机采用外转子的结构，永磁体直接固定在电机外壳上。定子电枢 采用无铁心结构，直接由绕组注塑而成，两个定子盘之间采用串联方式，避免两个 定子绕线盘之间由于电压略微不同形成环流。该种结构的不足之处在于两个单元电 机之间的磁路会相互影响，且单元电机之间的精确定位有一定的难度。 2 3 2 基于单元盘楔形气隙多盘式无铁心永磁同步电动机结构 由于盘式无铁心永磁同步电动机绕组匝数在内外径处是一样的，其在内径和外 径处的槽满率差异很大，特别是大功率电机。而内径处的槽满率是制约电磁负荷的 主要因素，在外径处的槽满率则有很大的裕度。为了充分利用外径处的空间，盘式 无铁心永磁电机还制成了楔形气隙结构，将内外径处的气隙长度设计成不同值，外 径处的气隙长度比内径处小，使得整个电机的等效气隙长度也相应变小，进一步提 高气隙磁密，更有利于电机力能指标的提高。如下图2 1 2 所示是采用楔形气隙结构 的盘式无铁心永磁电机的结构示意图。电机采用外转子的结构，永磁体固定在电机 的转子盘上，电枢绕组采用无铁心结构。 图2 1 2 楔形气隙盘式无铁心永磁同步电动机基本结构 基于单元盘楔形气隙多盘式无铁心永磁同步电动机的结构采用与基于均匀气隙 多盘式无铁心永磁同步电动机相同的结构，由两个楔形气隙结构的单元盘组合而成 如图2 1 3 所示。此种结构的电机使得永磁体有效利用的程度进一步增加，电机的气 气隙磁密提高，电机的单位体积输出功率有所提升。但是楔形气隙的组装，盘与盘 之间精确定位的难度大大增加，制造加工成本会较基于均匀气隙结构的多盘式无铁 心永磁同步电动机高。 第二章多盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构 图2 1 3 基于单元盘楔形气隙多盘式无铁心永磁同步电动机结构 2 3 3 三转子双定子结构的多盘式无铁心永磁同步电动机结构 为了进一步的减小多盘式无铁心永磁同步电动机的体积，提高电机单位体积的 输出功率，本文研究了三转子双定子结构的多盘式无铁心永磁同步电动机如图2 1 4 所示。电机由三个转子盘和两个定子盘构成的多气隙组合式结构。电机的外壳以及 转子盘采用铝合金材料；永磁体采用具有高矫顽力和高剩磁密度的钕铁硼永磁材料。 图2 - 1 4 三转子双定子多盘式无铁心永磁同步电机基本结构 电机转子由两个外侧转子盘和中间转子盘组合而成，永磁体直接固定在转子铝 盘上，由于外壳也是转子，这样就避免了永磁体和外壳相互运动产生的涡流损耗。 外侧的两个转子盘永磁体可采用普通轴向结构或h a l b a c h 结构，中间转子盘永磁体 采用普通的轴向结构。此种结构可使电机气隙磁场增强，可获得更大的气隙磁密； 1 6 第二章多盘式无铁心永磁同步电动机的基本结构 同时也可减小轭部磁密，可适当减小轭部厚度，缩小电机体积，降低成本，提高功 率密度；使永磁体工作点较高，永磁体能够得到充分利用，大大降低成本。 定子电枢采用无铁心结构，直接由绕组注塑而成，可以减少由齿槽效应引起的 电磁转矩脉动以及铁心带来的一些弊端，在相同的输出功率和转矩下无铁心电机使 得质量下降、机械效率增加。两个定子盘之间采用串联方式，这样就避免了由于两 个定子盘电压略微不同形成的环流。 与前述基于单元盘结构的多盘式无铁心永磁同步电动机相比，三转子双定子结 构的多盘式无铁心永磁同步电动机不仅在体积上会在一定程度上缩小，且永磁体的 用量也可以相对的减少。但是由于中间转子盘的存在，使得电机的磁路变得非常复 杂，关于单元盘无铁心电机的设计规律与特点不再完全适用，需要重新研究该种结 构电机的设计规律与特点。 第三章多盘式无铁心永磁同步电动机电磁场分析 第三章多盘式无铁心永磁同步电动机电磁场分析 在进行新结构电机设计计算时，为了提高计算的准确程度，需要直接进行电磁 场数值计算和分析。而且，对于永磁同步电机中一些特殊的电磁过程和一些专门问 题如永磁电机磁极结构形状和尺寸的优化、永磁体的局部失磁问题和永磁同步电动 机的起动过程等，也需要运用电磁场数值计算才能进行定量分析。近些年来，随着 计算机技术的迅猛发展，目前正逐步形成以电磁场数值计算为基础的永磁电机设计 方法。 3 1 电机电磁场的基本理论 电机分析中的电磁场理论是基于麦克斯韦方程组。在导电媒质中，对于似稳电 磁场，麦克斯韦方程可以化成扩散方程，研究实心转子或导体中的涡流时都可以从 扩散方程出发去求解；在非导电媒质中，或者可以忽略导体中的涡流时，麦克斯韦 方程可以进一步化成泊松方程或拉普拉斯方程，研究气隙磁场、极间漏磁场，都可 以从拉普拉斯方程或泊松方程出发求解。 电机中的一切电磁过程都可以从麦克斯韦方程组出发来进行分析，其微分形式 为【1 4 】 加f h ：了+ 丝 研 阳f - g ：一c 3 b 西 d i v b ：0 d i v d ：p 万一一磁场强度( 安米) 了传导电流密度( 安彩) 西一一电场强度( 伏米) 否一一磁通密度( 特斯拉) 历一电位移( 库仑止彩) p 一自由电荷的体密度( 库仑米3 ) ( 3 1 ) 第三章多盘式无铁心永磁同步电动机电磁场分析 麦克斯韦方程组是麦克斯韦在提出的位移电流的假设下，全面总结电生磁和磁 生电现象后提出来的。麦克斯韦方程是宏观电磁现象的基本规律，可适用于恒定电 磁场、似稳电磁场和高频交变电磁场等不同情况。 在恒定电磁场中所有的量均不随时间f 而变化。似稳电磁场是一种低频的交变 电磁场，当频率厂很低，而场源和观察点之间的距离较波长短的多时，就可以不考 虑电磁波传播的滞后位问题，此时位移电流与传导相比，数值上较小因而可以忽略。 电机中的交变电磁场为似稳电磁场，因为一般交流电机的频率均在工频到中频的范 围内，故在足够精确的程度内都能满足似稳条件。 a 而 此外，电机中一般不存在静止的电荷，因此在不计= ；和p 的情况下，麦克斯 d t 韦方程组可简化为 r o t h = j n o t - 云= o b 研 d i v b = = 0 d i v d = 0 ( 3 2 ) 麦克斯韦方程适用于各种正交坐标系，电机电磁场中常用的是直角和圆柱两种 坐标系，其旋度和散度的表达式为 在直角坐标系中 在圆柱坐标系中 r o t h = d i v b ：堡+ 堡+ 丝 a ) c 却 a z 1 9 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 一后a一出也 一，旦钞髟 ，a瓦以 第三章多盘式无铁心永磁同步电动机电磁场分析 r o t h = 一l n 一 ， a o r h ， a 8 9 r h 9 ( 3 5 ) 枷b = 吾昙( 哆) + 三r 堡0 0 + 詈( 3 - 6 ) 一般形式的麦克斯韦方程适用于随时间按任何规律变化的电磁场。电机工程实 践中，经常研究的是随时间按正弦规律变化的电磁场( 如是非正弦变化的，可以分 解为基波和各次谐波来分别处理) 与此对应的复数形式的麦克斯韦方程组为 ( 3 - 7 ) 上述麦克斯韦方程组，不管有关材料的性质如何，在工程上都是适用的。但在 具体计算中会遇到很多问题。其中之一就是方程式少而要求的未知量多，这显然无 法求解。要使方程的数目增加，还必须利用成分方程，若媒质是各向同性的，则它 在电磁场作用下，其宏观电磁特性关系式为 其中 d = 6 e = e , e o e 了：盯五 b = t h = p r h s 介电常数( 法米) 6 r 相对介电常数 晶真空介电常数( 8 8 5 x 1 0 叫2 法米) 盯电导率( 1 欧米) z 磁导率( 亨米) ，相对磁导率 风真空磁导率( 4 万x 1 0 7 亨米) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) 历 弘否 z吖o o = = = = 一日一e一口一d f ， 矿 矿 肘 耐二喜_ ：喜 第三章多盘式无铁心永磁同步电动机电磁场分析 对于线性媒质它们是常数，对于非线性媒质，它们是随场强的变化而变化的。 以上各式和麦克斯韦方程组合在一起，足以求解所需要的未知量。但从计算的 观点来看，极少用麦克斯韦方程去直接求解。因为方程中待求的量太多。如果以位 函数来描写场，如标量位或矢量位，待求量的数目可以减少。 麦克斯韦方程组的微分形式，只适用于媒质的物理性质( 由，占和仃等参数来 表征) 处处连续的空间。但