（车辆工程专业论文）轮边驱动电动车用聚磁式横向磁场电机磁场特性分析.pdf

摘要 随着能源危机的日益严重以及人们环保意识的不断增强，研究开发清洁、节 能和安全的汽车成为汽车工业发展的方向。其中电动汽车具有行驶过程中零捧 放、能源利用多元化和高效化以及方便实现智能化等优点。成为新型汽车研发的 重点之一。在各类电动汽车的动力驱动系统中，轮毂电机驱动系统由于其控制方 便、结构紧凑等突出优点，备受青睐和重视。本文介绍了用于轮边驱动的横向磁 场电机的基本结构、工作原理，对其基本特点和电磁关系进行了详细分析，并使 用有限元分析软件a n s y s 的a p d l 进行二次开发编程，对聚磁式横向磁场电机模 型进行电磁场特性仿真计算。调整电机模型关键部件的几何尺寸，对电机电磁场 静态特性进行了大量的计算，由此得到横向磁场电机磁场特性随电机结构参数变 化的规律，并深入研究了结构因素对聚磁式横向磁场永磁电机空载漏磁系数和定 位力矩的影响规律，通过优化设计使电机定位力矩所占电磁转矩的比例得到大幅 度降低，并使电机输出转矩波动得到改普。从而为聚磁式横向磁场电机的后续研 究打下了一定基础 最后。关于进一步工作的方向进行了简要的讨论 关键字：横向磁场永磁电机，有限元分析，a n s y s ，电磁场，转矩波动漏磁系数。定位 力矩 w i t hi m p r o v i n ge n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nc o n s c i o u s n e s sa n dt h es e r i o u sm e r g y c r i s i s , t or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h ec l e a r , e n c r g y - c o n s e l - v a t a da n ds a f ea u t ob e c o l n e 位 n e wd i r e c t i o no fd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ei n d u s e l e c t r i cv e h c l e w h i c hh a s m a n ya d v a n t a g e s s u c ha 31 1 0e m i s s i o n , t h ep l u r a l i s ma n dh i g h - e 伍c i e n to fe n e r g y u t l i l i z a t o n , a n dc o n v e n t i e n t l yr e s f i z i n gi n t e l f i g e n c ee t c d u r i n gt h er e s e s f c ho fe v 5 p r o p u l s i o ns y s t e n 丝, e n g i n e e r sp a yg r e a ta t t e n t i o nt oi n - w h e e ld r i v es y 砒e m w h i c h s h o w so u t s t a n d m ga d v a n t a g e si nc o n t r o l l i n ga n ds h u c m r c s t a r tf i - o mt h ei n - w h e e l m o t o r , t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h es l n u m u a n dw o r kp r i n c i p l eo ft h e 缸a n s v a r s ef l u x m a c h i n e t h ec b 棚阳删s t i co ft h el r b n s v c a s cf l u xm a c h i n ea n di t sd z c t r o - m a g n c t i c p r i n c i p l em d e s c r i b e di nd e t a i l t h em o d e lo fm a c h i n ei ss i m u l a t e du s i n gf e a s o f t w a r e ( a n s y s ) a n da p d lp r o g r a m s t h r o u g ht h en 让启哪s i m u l a t i o no ft h e s 础cm a g n e t i cf i e l do ft h em o d e l sh a v i n gd i f f e r m tg e o m e t r i cd i m e o s i o n so nk e y p 砷，t h er u l eo fm a g n e t i cf i e l d 曲脚孤：i e 枷船o fl l a n s v e l - f l u xm a c h i n ec h a n g i n g w i t ht h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r si so b t a i n e d f u r t h e r l yt h en o - l o a dl e a k a g ec o e f f i c i e n t a n dc o g g m gt o r q u eo f t r a n s v e r s ef l u xm a c h i n ei sr e s e a r c h e di nd t = t 暑l i i b yo p t i m i z a t i o n t h ec o g g i n gt o r q u eo ft h em a c h i n ei sl a r g e l yr e d u c e d , a n dt h ee l c c c o m a g n c t i ct o r q u e w a v eo f t r a n s v e r s ef l u xm a c h i n ei sw e l lc h a n g e d l a s t l y , t h ef l l r t h e rr e s e a r c hw o r ki sd i s c u s s e d k e yw o r d s ： r a b s v e t l cf l u xm a c h i l l e ，f i n i t ee l e m e n t 叠l l a l y s i s , a n s y ss o t t w a r c , e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d , t o r q u er i p p l e , l e a k a g ec o d 丑c i m t , c o g g i n gt o r q u e 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检 索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有 关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第1 章绪论 1 1 选题背景 第1 章绪论 车辆和自牵引机械用热机的废气捧放水平在很大程度上决定了世界生态系 统状况。新能源汽车，主要包括电动汽车( e l e c t r i c v e h i c l e 简称e v ) 、混合动力 汽车( h y b 谢e l e c t r i cv e h i c l e 简称h e v ) 、燃料电池汽车，可以实现低污染和无 污染，同时加大非石油资源的利用率。因此，新能源汽车成为当前解决节能和环 保问题切实可行的方案。我国已提出国家8 6 3 计划的电动汽车重大专项。上海市 科委也已确立“混合动力汽车关键技术”科研课题。电动车研究的热点为：高性 能电池系统的开发，高性能驱动系统的开发，整车优化和继承控制系统的开发 电动机驱动的电动车根据电动机驱动车轮方式的不同分为集中电机驱动型式与 轮毂电机驱动型式目前各国在电动车上使用的轮毂电机，如直流有刷电动机 ( d c m ) 、开关磁阻电机( s r m ) 、感应电动机( d d ) 、无刷直流电动机( b d c m ) 、 永磁同步电机( p m s m ) 等存在的主要问题：电机结构尺寸大，导致非簧载质 量增大；电动机转矩密度低，制约电动车动力性；转矩脉动较大、振动噪声较 高。针对轮毂电机驱动系统目前存在的问题，需要研制比功率密度高、比转矩密 度高、效率高、可靠性好、易于维护、具有良好的调速性能和在恶劣条件下正常 运行的能力的轮毂电机。横向磁场永磁电机( t r a n s v e r s ef l u xp e r m a n e n tm a g n e t m a c h i n e1 1 叩m ) 是德国著名电机专家h w e h 教授于上世纪8 0 年代首先提出的 一种新型的机电一体化调速系统，具有低速特性好、转矩密度高、功率密度高和 控制灵活等特点近年来，随着电动车、电力直接推进装置和风力发电等技术研 究的深入，人们对高转矩密度、低速直接驱动电机的要求更加迫切，横向磁场永 磁电机成为新的研究热点之一1 1 1 2 】。横向磁场永磁电机表现出的优异性能，在电 力推进、低速直接驱动、伺服传动和大功率风力发电等领域具有很好的应用前景 许多欧美经济发达国家投入大量的人力、物力和财力进行横向磁场电机的理论和 应用研究。丰富了横向磁场永磁电机的拓扑结构，促进了横向磁场电机的发展， 但是作为一种不同于传统电机的全新的电机，国内外都处于研究开发阶段，其相 关的理论及实践研究还相当有限，有必要对横向磁场电机的新结构进行深入的电 磁场分析 本论文正是基于以上原因而提出的。 1 2 电动汽车用轮毂电机的国内外研究现状m 第1 章绪论 电机驱动包括电机、变频器和控制电路，是电动汽车电驱动系统的核心部分。 现代电动汽车对电机驱动提出了以下一些要求：( 1 ) 高恒功率比和高功率密度； ( 2 ) 起动和爬坡是低速大转矩，同时在正常行驶时要求高速高功率；( 3 ) 在恒 转矩和恒功率区域。要有较宽的调速范围；( 4 ) 快速的转矩响应；( 5 ) 在较宽的 速度和转矩范围那保持较高的功率；( 6 ) 对不同的汽车运行状态有较高的可靠性： ( 7 ) 合理的价格 目前在电动汽车上所用的电机主要有： l 直流有刷电动机( d c m ) 直流有刷电动机( d c m ) 由于存在电刷和换向器，其高速性能和运行 可靠性受到影响。目前在新能源汽车上的应用较少见。国外c i t r o e n 公司生 产的s a x 0 电动汽车采用了额定功率为2 0 k w 的d c m ，印度的r e v a 公司 生产的r e v ae v 有后尾窗的电动汽车采用额定功率为1 3 k w 的d c m 。国内 的华南理工大学1 9 9 7 年研制的e v - - 6 6 3 0 电动轻型客车采用额定功率为 2 酞w 的d c m 。 2 】开关磁阻电机( s l i m ) 开关磁阻电机( s r m ) 因噪声高和转矩脉动严重，目前在新能源汽车上 的应用较少。国内的华中理工大学正致力于电动车用开关磁阻电机的开发； 二汽集团开发的e q 6 6 9 0 电动汽车采用额定功率为3 0 k w 的s r m 。 3 】感应电动机( “) 感应电动机( 江) 目前大量应用于电动汽车中，尤其是在美国和欧洲国 家。该种电机结构简单，可靠性高，控制技术比较成熟。但是控制系统易受 电机参数及负载变化的影响美国g m 公司的e v l 采用功率为1 0 2 k w 的i m ， c h e v r o l e t 公司生产的s 1 0 采用额定功率为8 5 k w 的订，c h r y s l e r 公司生产 e p i c 采用额定功率为7 3 5 l 【w 的i m ，f o r d 公司生产的p 2 0 0 0 采用额定功率 为6 7 k w 的讧，v o l k s w a g e n 公司的g o l fi v 采用额定功率为2 5 k w 的i m 。 此外还有菲亚特公司生产的t e m p r a 并联式混合动力电动汽车采用额定功率 为2 1 5 k w 的i m 。v o l v o 生产的串联式混合动力电动汽车采用2 台额定功率 为6 5 k w 的i m 。国内也有不少公司采用订作为电动汽车驱动电机，如远望 集团生产的y w 6 1 2 0 d d 电动汽车采用了额定功率为1 5 0 k w 的i m ，国防科 技大学研发的电动汽车也采用了n “ 4 ) 无刷直流电动机( b d c m ) 无刷直流电动机( b d c m ) 具有转矩、功率密度大的优点，同时还具有 位置检测和控制方法简单、效率高的优点。因此在电动汽车驱动领域得到一 定程度的应用但是，b d c m 存在一定程度的转矩脉动、振动噪声，控制精 2 第1 章绪论 度低。所以只能应用在有减速系统和车速不高的电动汽车驱动中 5 ) 永磁同步电机( p m s m ) 永磁同步电动机( p m s m ) 具有高效、高控制精度、高转矩密度、低噪 声的特点，通过合理设计磁路结构可以获得较高的弱磁性能，在电动汽车特 别是高档电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，已经受到国内外电动汽车 界的高度重视，并在日本得到较为普遍的应用，日本新研制的电动汽车大都 采用p m s m 驱动娜1 。国内目前既没有p m s m 的系歹| j 生产厂家，对其在电动 汽车方面的研究也较少电动汽车用p m s m 具有较严重的交直轴磁路耦合 和磁路局部饱和，无法用路的方法进行精确计算。因此必须研究p m s m 场 路结合的算法来设计电机。尤其对于不同转子磁路结构所引起的漏磁分析， 需要结合电磁路有限元算法进行。合理优化p m s m 转子磁路结构和选择电 机参数。 6 ) 盘式轴向磁场永磁电机和w e h 氏横向磁场永磁电机 传统电机设计是建立在正弦波电源与径向磁场基础上的，国际电机工程 界所关注的盘式轴向磁场永磁同步电机和w e b 氏横向磁场永磁同步电机也 开始在电动汽车上使用，这两种电机的主要优点是功率密度高。国内的上海 大学自动化学院对横向磁场电机做了较多的研究，并研制出样机1 6 1 7 1 7 ) 其它电机模式 为了更好她适应新能源汽车的驱动要求，众多学者还致力于许多特殊结 构的电机开发，如b r i a n l c 等提出的永磁磁阻混合同步电动机嗍，m z i z u r r 等提出的永磁磁滞混合同步电动机 9 1 ， k a t s u n o r in 等研究的永磁和电励磁 混合励磁的同步电动机1 蛆】，另外还有双转子电机【1 2 l 、多级轴向磁场 p m s m 【1 1 4 1 、h a l b a c h 阵列p m s m 堋。这些新型电机系列结构新颖，各具特 色，结构及控制复杂程度各异。但应用于电动汽车牵引传动的驱动效果及适 应性还有待进一步研究 1 3 横向磁场永磁电机综述 1 3 1 概述 对于传统电机而言，由于齿槽效应的存在，电机转矩密度的提高受到限制 传统电机的平均电磁力表示为： e = 以， ( 1 1 ) 则电磁转矩为： 3 第l 章绪论 嘶譬- - b a - 川号 ( 1 2 ) 为了衡量电机转矩输出的能力，电机的转矩密度乃定义为一个极下单元气隙表 面的电磁转矩，则有 又有 乃专2 刍葛p “s ， 以= 争邮j = - ，e ( 1 4 ) 式中f 一电机的定子齿距 p 一电机极对数 龟一定子齿宽 且一齿部磁密 易气踢e 磁密 置槽面积 ，一电流密度 则电机转矩表示为； l = 去生t 且i = 寺生t e 小只 ( 1 5 ) 式( 1 5 ) 中电流密度，和齿部磁密量由电机冷却方式和铁磁材料特性决定， 可以看作无法改变的常数，因此要提高电机转矩密度的话只有通过增加齿宽 和 槽面积s 来实现。但是传统电机的定子齿槽与电机运动方向在同一截面内，安 放线圈的槽宽度与磁通流经的齿部宽度是一对矛盾，即如果增加槽面积，定子 齿宽色就要减小，反之亦然，如要两者同时增大，则只有增大电机半径，然而电 机的有效材料与电机半径的平方成正比，因此很难从根本上进一步提高转矩密 度。图1 1 是传统径向永磁电机的齿槽结构图，图1 2 是常规电机的齿槽关系图。 4 第1 章绪论 图1 1 传统径向永磁电机的齿槽结构图1 2 常规电机的齿槽关系 针对如何进一步提高电机转矩密度这一问题，各国学者展开了大量广泛而深 入的研究1 9 8 6 年，德国的h w e h 教授发明了横向磁场( t r a n s v e r s ef l u x ) 永 磁电机“”。如图1 3 所示，该电机的定子齿槽结构和电枢线圈在空间位置上互相 垂直，没有被限制在一个平面内，从而有效的解决了传统电机的齿槽问题电机 中的主磁通方向如图1 3 中箭头所示铁心尺寸和通电线圈的大小相互独立，在 一定范围内可以任意选取。所以横向磁场永磁电机以其转矩密度大的优异性能受 到人们的关注所谓横向磁场，是相对于传统电机的径向磁场而言。横向磁场电 机中的闭合磁力线沿横向流经定子，与电机转动方向垂直。 由于目前的横向磁场电机通常采用永磁材料，所以也将其称为横向磁场永磁 电机( t r a n 盯e r s ef l u xp e r m a n e n tm a g n e tm a c h i n e ，t f p l v i ) 图1 3 聚磁式横向磁场永磁电机 1 3 2 横向磁场永磁电机的优点 ( 1 ) 电机各相之间相互独立，没有关联，实现结构上的解藕，可以独立分析和 控制电机设计成多相时，即使缺少一相也能正常工作，可靠性好； 5 第l 章绪论 ( 2 ) 多个电机参数之问是彼此独立的，可以任意选择。设计自由度大，可根据 需要调整磁路尺寸，选择线圈匝数规格和线圈窗口。 ( 3 ) 每相只需要一组线圈，绕组构成简单方便。 ( 4 ) 结构的模块化。横向磁场电机以定子冲片叠装两成，通过冲片模块的不同 组合就可以得到不同功率等级的横向磁场电机。 ( 5 ) 能提供比传统电机大镊多的转矩密度和功率密度，适合于低转速、大转矩、 大功率场合。 ( 6 ) 体积小、重量轻、效率高。 表1 1 给出横向磁场电机与不同电机特性的比较吲。 表1 ，1 横向磁场电机与不同电机特性的比较 电机参数 电机类型有效质量转矩重量功率重量 ( n m k g )( w a g ) 异步电机 1 0 01 4 40 2 2 磁阻电机 8 6 1 3 50 2 6 横向磁场电机 3 2 53 6 4o 6 8 1 3 3 横向磁场电机国内外发展状况 横向磁场电机具有很高的转矩密度和功率密度，通常是传统电机的3 5 倍， 而重量和体积可以是常规电机的几分之一。各发达国家竞相开发横向磁场电机， 并且取得了一些阶段性进展。 ( 1 ) 英国r o l l s r o y e e 国际研究发展中心在英国国防部的资助下于1 9 9 8 年 开始电力推进船用横向磁场电机的研究，并设计出图1 4 所示结构形式的3 m w 聚磁式横向磁场电机【1 9 捌。该电机对横向磁场电机原型机的双定子结构进行了 简化，把原先的u 形定子旋转9 0 。同时两个齿部错开一个极距，形成c 形定 子铁心，从而用一套绕组、一个定子铁心实现了与w e b 原型机同样的磁路形式。 试验和理论分析表明，这种聚磁式横向磁场永磁电机结构简单，电机可靠性好， 低速转矩大，特别适合于大功率直接推进装置的应用。目前该课题组正在设计制 作2 0 m w 的横向磁场永磁电机用于军舰的电力推进，预计在2 0 0 82 0 1 0 年装备 于未来的护卫舰上 6 第1 章绪论 图1 4c 形定子的聚磁式横向叠l 场永磁电机 ( 2 ) 针对横向磁场永磁电机定子铁心结构工艺复杂问题，美国通用汽车公 司在电动车驱动电机研究中采用了微粒磁粉( s m e ) 制作了成形定子的横向磁 场电机i 矧。s m c 定子在简化工艺的同时，还大大减小了铁心的高频涡流损耗等， 成为横向磁场电机的一个重要发展方向不过目前s m c 磁性能相对较低成本 较高。德国v o i t h t u r b o 公司也使用s m c 材料制造铁芯，并造出2 4 0 0 n m ，1 5 0 k w 的公交车用横向磁场永磁电机懈剐 ( b ) 外形图 ( b ) 展开示意图 图1 5 德国v o i t ht u r b o 公司丁f 蹦示意图 7 第l 章绪论 ( 3 ) 英国南安普顿大学制造出外转子形式的横向磁场永磁电机，该电机采 用外转子结构( 图1 6 所示) 1 6 4 1 6 5 1 。气隙外部不需要留出安装绕组的空间，这样 在同样气隙面积情况下电机外径和体积较小。同时定子内部采用液体冷却，散热 好。但是该种外转子电机不易与外接被驱动设备连接，连接结构相对复杂。 图1 6 南安普顿大学t f 雕结构示意图 ( 4 ) 纽卡斯特大学的横向磁场电机【6 q 图1 7 纽卡斯特大学t f p m 结构示意图 图1 7 所示的是纽卡斯特大学研发的一款聚磁式横向磁场电机。此款电机磁 极安装方式与英国罗尔斯罗依斯公司样机相似。该电机转矩密度较小，但是结构 相对简单 图1 8 德国a a c h e n 技术学院研制的横向磁场电机 8 第1 章绪论 ( 5 ) 德国a a c h e n 技术学院的横向磁场电机 该电机是典型的聚磁式外转子横向磁场电机，结构形式与南安普顿大学研制 的横向磁场电机相似。不过该电机的定子部分结构比较复杂，加工难度大如图 1 7 所示。 ( 6 ) 德国布伦瑞克大学的横向磁场电移7 1 德国布伦瑞克大学的h w e h 教授是横向磁场电机的早期发明者，研制了用于 护卫舰巡航驱动的聚磁式横向磁场电机。 国外主要研究机构研制的横向磁场电机样机参数参见表1 2 袁l ，2 国外主要研究机构的横向磁场电机参数比较 v o l 气隙t _功率 电机类型d ( m m )l ( m m )极数 l o m a( 珊)( 因数 南安普顿样机 1 7 05 61 2 7 2 0 l6 1o 。3 5 s s s m 南安普顿优化后 1 7 05 61 2 72 417 0 3o 4 s s s m 南安普顿样机 1 7 05 61 2 72 0l6 1 40 4 s s 跚有磁桥 南安普顿样机 s s s m 有磷桥，1 7 0 5 6 1 2 72 0l6 8 2o 3 4 大电流励磁 a a c h e ns s 铷带磁桥2 8 74 02 5 94 0lo 3 8 纽卡斯特样机 3 6 26 06 1 81 0 00 56 0 50 5 3 d s f c ，铁基芯 纽卡斯特优化后 3 6 26 06 1 81 1 4l4 9 20 5 3 d s f c ，铁磁芯 纽卡斯特优化后 3 6 26 06 1 81 1 4l 6 2 30 5 3 d s f c ，叠片铁芯 注：1 s s s m ：单边永磁体表面安装d s f c ：双边聚磁结构； 2 体积是包围有效材料部分的圆柱体体积 我国对横向磁场电机的研究起步较晚，处于初期阶段。国内主要研究机构有 沈阳工业大学以及上海大学自动化研究所。这两所大学分别对早期横向磁场电机 进行了一些结构改进并制造出了样机【1 1 7 1 6 1 船1 3 0 1 3 1 1 9 第l 章绪论 1 3 4 横向磁场电机研究热点 目前各发达国家正在竞相开发横向磁场永磁电机，并且已经取得了一些阶段 性发展。而我国对横向磁场永磁电机( t f p m ) 的研究剐刚起步，具有较高的研 究价值。总的看来，国内外对横向磁场电机的研究主要集中在以下几个方面： 1 横向磁场电机的新结构研究 复杂的结构和工艺是制约横向磁场电机发展的主要原因之一，主要体现在结 构简单，容易制造的横向磁场电机性能指标较低；性能指标高的横向磁场电机结 构又比较复杂。目前横向磁场电机普遍存在的问题是功率因数较低，制造工艺复 杂。 2 横向磁场电机磁场的计算 传统电机由于磁场方向与电机运动方向在同一平面上，因此一般均采用二维 场进行分析，其理论和技术成熟，并且能达到足够的精度。横向磁场电机因为其 磁场是三维的，必须对三维场进行分析。但是目前三维电磁场的计算复杂，因此 人们曾经试图采用经简化的二维场进行横向磁场电机磁场分析 2 0 i 抽1 ，这种计算 可以在一定程度上对横向磁场电机进行定性分析，但是作为定量的计算误差较 大。电机电磁场数值分析主要采用有限元法、边界元法和有限差分法。其中最有 效、目前应用最广泛的是有限元法。 3 控制系统 目前控制系统中功率变换器多采用多相、多电平驱动，如1 2 相三电平方式 等。控制器方面由于横向磁场电机实现了结构上的解藕，因此控制策略相对简单， 但是由于磁路的非线性，以及为了提高系统的力能指标( 如提高功率因数) 【2 5 】 和伺服驱动例的需要，很多学者尝试在横向磁场电机上采用基于d s p 的数字控 制。同时由于横向磁场电机转矩波动的存在，采用电流控制技术来降低电流换相 引起的电机输出转矩波动也是目前研究的一个热点 i 3 5 聚磁式横向磁场电机研究热点 聚磁式横向磁场电机作为横向磁场电机的一种典型结构形式，由于其突出的 转矩出力性能，目前成为横向磁场电机的主流结构形式。各国学者针对聚磁式横 向磁场电机的研究热点主要集中在电机新结构的开发、新的设计方法、新组装技 术等方面。其中如何降低横向磁场永磁电机输出转矩波动和极间漏磁通，以及提 高电机的功率因数，是聚磁式横向磁场永磁电机研究的新领域，具有较高的研究 价值 1 0 第1 章绪论 1 4 本文的工作 电动轮驱动系统由于其动力学控制、结构布置等方面的优势，成为电动汽车 发展的一个重要方向。但是目前各国所研制出的电动轮驱动系统存在一定的问 题，因而制约着电动轮驱动系统的应用与发展。例如：电机结构尺寸大，导致非 簧载质量增大；电动机转矩密度低，制约电动车动力性。针对轮毂电机驱动系 统目前存在的问题，需要研制比功率密度高、比转矩密度高的轮毂电机而横向 磁场电机具有显著的低转速大转矩特性，在电动汽车电动轮驱动系统中具有巨大 的研究潜力。我国对横向磁场永磁电机( 1 1 叩m ) 的研究刚刚起步。理论及实践 方面的研究还很有限，并且对其电磁场的研究多限于解析解、二维、准三维以及 三种方法相结合的方法。为了更好的研究横向磁场永磁电机的磁场特性，需要引 入更直观的磁场计算。同时，经过数十年的研究发展，有限元磁场计算的方法已 经逐渐趋于成熟，但多限于结构形状比较简单、规则的场域，对于像本文所研究 的聚磁式横向磁场永磁电机这样复杂的场域则较少应用。另外，三维场域有限元 分析是目前电磁场数值计算研究的重点，它直接关系到对结果正确性的判断，随 着计算机技术的不断发展，应用软件的升级开发，采用有限元分析软件对工程问 题进行深入研究，已经成为时代发展趋势。基于上述，本文应用国内外流行的大 型有限元软件a n s y s 对一种聚磁式横向磁场永磁电机的三维电磁场进行了详细 分析，尝试从调整结构尺寸的角度来降低聚磁式横向磁场电机定位力矩，并探索 电机结构尺寸变化对漏磁系数的影响规律，从而为聚磁式横向磁场电机的后续研 究打下一定的基础。所做的工作主要有以下几个方面： 第一章是绪论综述了电动汽车用轮边驱动电机的研究发展现状介绍了横 向磁场电机的基本结构、电机特性优点、研究现状和研究热点；并指出本文的主 要工作 第二章介绍了所研究的聚磁式横向磁场永磁电机的结构特点、工作原理并 基于电机转矩和功率因数方程，使用电磁负荷等参数解释聚磁式横向磁场电机高 转矩密度和低功率因数性能特点。 第三章在前人研究的基础上，根据聚磁式横向磁场永磁电机设计特点，对所 研究的新型聚磁式横向磁场永磁电机进行结构设计 第四章使用a n s l s 有限元软件的a p d l 进行二次编程开发对所研究的聚磁 式横向磁场永磁电机进行有限元建模仿真 第五章计算分析所选聚磁式横向磁场永磁电机三维状态下的磁场分布、电机 牵引力以及转子转矩的变化规律，分析电机结构参数变化对电机磁场( 主要是定 l l 第1 章绪论 位力矩) 的影响。对仿真结果进行分析，尝试从结构尺寸调整的角度来降低聚磁 式横向磁场电机定位力矩，并探索电机结构尺寸变化对漏磁系数的影响规律，初 步得到聚磁式横向磁场永磁电机结构优化设计的方法，从而为聚磁式横向磁场电 机的后续研究打下一定的基础 第六章对全文进行了总结，并提出需要进一步完善和开展的工作。 第2 章聚磁式横向磁场永磁电机结构及理论分析 第2 章聚磁式横向磁场永磁电机结构及理论分析 2 1 横向磁场永磁电机结构分析 所谓横向磁场电机，是相对于常规径向磁场电机而言。横向磁场永磁电 机通常由多个单相模块拼接而成，电机的定子由均匀分布的u 形定子单元构 成，而转子由永磁体和转子铁心均匀分布组成，相邻的永磁体极性相反如 图2 1 所示i 硐。该结构较好的解决了铁心磁路与电枢绕组在占用圆周空问上 的矛盾。t f f m 定子铁心中的磁通平面与转子的运动方向相垂直因而被称 作横向磁场电机，这是它区别于传统电机的最重要的结构特征。 环形电枢绕组具有较短的导线长度。因而电阻较小，且简单的绕组形状 还有利于采用高效的冷却方式。但是t f f m 的电枢铁心较为复杂，每个u 型 铁心都提供一条匝链环形绕组的磁通路。显然上述电枢结构属于多铁少铜的 设计方案，比较适合选用较高的线负荷和电流密度【蚓 图2 1 横向磁场电机的典型结杓 自横向磁场永磁电机发明以来，各国学者对其进行不断的研究，并结合制造 工艺，开发出各种形式多种结构的横向磁场永磁电机目前可以采用以下几种分 类方式对横向磁场永磁电机进行分类说明 1 按照转子磁体的放置位置分类 按照横向磁场永磁电机的磁路特点，可以分为平板式、聚磁式、无源转子式 和磁阻式等四种结构形式 平板式横向磁场永磁电机 1 3 第2 章聚磁式横向磁场永磁电机结构及理论分析 图2 2 为早期的单边平板式横向磁场电机结构形式【1 7 1 。在这种结构中，永 磁体均匀的贴在转子表面，相邻的永磁体分别被充磁成不同的极性。 图2 。2 早期的单边横向磁场永磁电机 u 形的定子铁心以整倍极距的距离均匀分布在整个圆周上，其两个齿部对应 的永磁体极性相反。这样结构的定子磁通是通过前后磁钢之间的铁心形成闭合回 路的。由于这种结构形式的横向磁场永磁电机的永磁体是平铺于转子表面的，因 此称之为平板式横向磁场永磁电机。平板式横向磁场永磁电机有单边型和多边型 结构形式，还可以设计成外转子结构的形式，图2 3 为德国的g h e n n e b e r g e r 教 授设计的单边三相外转子平板式横向磁场永磁电机的定、转予结构外形图【j 卅。 内定子外转子 圈2 3 三相外转子平板式横向磁场永磁电机 b 聚磁式横向磁场永磁电机 永磁电机的永磁体一般分为两种安放形式，即内置式安装和表面式安装。其 中内置式安装结构相对来着安装调整方便，工艺性较好。特别是通过合理选择结 构尺寸可以达到“聚磁”效果，使磁通密度突破b r 的限制。聚磁式横向磁场永 磁电机的永磁体放置在转子铁芯之间，这种结构利于聚磁。图2 4 是早期单边 聚磁式横向磁场永磁电机【”，前面第一章介绍横向磁场永磁电机概念时提到的 图1 3 是早期双边聚磁式横向磁场永磁电机 1 4 第2 章聚磁式横向磁场永磁电机结构及理论分析 图2 4 早期单边聚磁式横向磁场永磁电机 为简化聚磁式横向磁场永磁电机的结构，节约铁芯材料的同时又不影响电机 的性能，r o l l s - r o y c e 国际研发有限公司发明了一种新的拓扑结构，如图l 。2 所 示，该聚磁式横向磁场永磁电机对定子结构做了较大改进将早期的u 形定子 改成图中所示的c 形定子结构，且定子铁芯的两个齿部错开一个极距，分别对 应转子的不同极性，从而使得转子中的永磁体得到充分的利用【l 明 c 无源转子横向磁场永磁电机 上述两种横向磁场电机的转子上均由永磁磁钢和铁磁材料组成，因此转子本 身具有磁性，是有源的( 磁势源) 。有人设想把转子上的永磁体移到定子上，同 时将转子铁心倾斜一个极距，成为无源转子，以便简化转子结构图2 5 是加拿 大a l b e r t a 大学的b e h a s u b e k 等设计的无源转子横向磁场电机( p a s s i v er o t o r t f p m ) 【2 0 1 。 图2 5 无湃转子横肉磁场永磁电机 正磁阻式横向磁场电机 如图2 6 所示，磁阻式横向磁场电机的结构和平板式横向磁场永磁电机很 相似只是它的转子部分不需要放置永磁体为了减少漏磁，可以在定予的齿部 第2 章聚磁式横向磁场永磁电机结构及理论分析 侧面装永磁体进行磁屏蔽。因为该电机的转子中没有永磁体，所以它的工作原理 与磁阻式步进电动机一样，遵循磁通总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理。产 生磁拉力形成转矩，即磁阻性质的电磁转矩【2 l 】。 图2 6 磁阻式结构 2 按照多相电机的摔列方式分类 在多相横向磁场永磁电机中，多相的排列可以有两种布置方式，一种为多相 同轴排列横向磁场永磁电机( 如图2 7 示) 【2 1 1 ，另一种为多相同圆周排列横向磁 场永磁电机( 如图2 8 示) 嗍两种捧列方式都有其各自的优缺点，往往根据实 际需要来进行设计 圈2 7 三相同轴捧列平板式横向磁场永磁电机 图2 8 博世公司设计的两相同圆周横向磁场电机 1 6 第2 章聚磁式横向磁场永磁电机结构及理论分析 其中在图2 7 所示三相同轴捧列结构中，分别有三套定转子盘，分别构成三 相，每相之间的磁路是独立的，相当于三台单相电机共用一根转轴。这种结构的 特点是可以充分利用空间，制造成多相的结构，从而增大转矩输出，同时根据现 有的研究表明，多相结构可以降低电机输出转矩波动由于各相相对独立则这 种结构的缺点是制造工艺复杂，不适宜小功率场合 对于如图2 8 所示的同圆周结构，其最大特点是在一组定转子结构上实现电 机的多相，因此箭造工艺相对简单各相共用一个转子部件，每相定予均分圆周 3 按照定转子的拓扑结构分类 从定转子的布置形式来看，可以将横向磁场电机分为单边结构和双边结构两 种类型。 所谓的单边结构是指电机的定子全部布置在电机的一侧，如图2 4 所示而 双边结构是指电机的定子分为内定子和外定子，均匀布置在电机的两侧，如图 1 3 所示早期的双边聚磁式横向磁场永磁电机。通常情况下单边形式的横向磁场 电机制造工艺较简单，而双边横向磁场电机的内外定子布置比较复杂 2 2 聚磁式横向磁场永磁电机的工作原理 图1 3 是早期聚磁式横向磁场永磁电机的工作原理图其中定子铁心位于转 子内、外两侧，故称双定子结构，并且内外定子铁心元件依然各错开一个极距， 永磁体和转子铁芯一起构成电机的转子，转子中的永磁体和转子铁芯相间均匀分 布于转子上，相邻的永磁体极性相对，s 极对s 极。n 极对n 极，转子内部磁场 沿切向方向从一块永磁体的s 极到达n 极，聚磁后沿径向进入定子 当定子线圈通电后，u 形定子铁心中会产生径向和轴向的磁场，磁力线接 着沿径向穿到转子里，沿切向由一个磁极穿到另一个磁极，从而形成了磁回路 这时可以等效的把两个定子齿部看成两个不同的磁极，根据同性相斥，异性相吸 的原理，这两个齿部的磁场和转子中的永磁体所产生的磁场相互作用产生转矩， 驱动转子旋转。每当转子移过一个极距后只要相应的改变线圈中的电流方向，转 子就可以连续的运转了。如果起动时线圈通电的方向相反，转子转动的方向也相 反。所以横向磁场永磁电机除了有定子和转子组成电动机的本体外，还要有由位 置传感器、控制电路以及功率变换器共同构成的抉向装置，才能使之产生方向不 变的旋转。 聚磁式横向磁场永磁电机的主要特点是具有高的转矩密度和功率密度，这 主要是由其本身的结构特点所决定的横向磁场永磁电机的定子齿槽和电枢线圈 1 7 第2 章聚磁式横向磁场永磁电机结构及理论分析 在空间上彼此垂直，电流和磁负荷在空问上不存在竞争，这样就避免了传统电机 所存在的齿槽效应的影响，能够更加自由的选取定子齿宽和线圈大小 2 3 转矩方程 为了便于理解该聚磁式横向磁场永磁电机的电磁转矩特性，以一个单相模块 为例，推导其电磁转矩与电磁负荷之间的关系【蚓。 假定该聚磁式横向磁场永磁电机中所有电磁量皆为正弦基波。在只考虑永磁 转矩的情况下，单相模块电机的电磁功率为： p = e o l c o s y ( 2 1 ) 式中t ，一电枢绕组中的空载电势和电流； i c ，一磊与，之间的相位差，即电机内功率因数角 考虑到聚磁式横向磁场永磁电机d 、q 轴电枢反应磁路的3 维结构，其交、直轴 电抗之差将远小于传统的智能功率模块( i p m ) 。因此一般情况下，适宜采用，与 凰同相位( c o s p , - 1 ) 的矢量控制方式( l = 0 ) 为电机供电，从而使单位电流产生 的功率或转矩最大渊在这种情况下，磊表征了永磁电机单位电流产生电磁功 率的能力【蚓。 上述情况下，聚磁式横向磁场永磁电机的空载电势e 0 = 4 “髓硷，。其中频 率厂取决于转子转速刀和转子磁极的极对数p ，且，；r i p ，6 0 ：为电枢绕组的 匝数。需要注意的是，聚磁式横向磁场永磁电机环形绕组的每一匝都同时匝链着 所有极下的磁通，因此这里的永磁磁通量9 ，应是所有极下的总磁通，即 o ，= p o 。其中o 为每极永磁磁通量。o 。可以用永磁气隙磁密的基波幅值乃和 每个定子铁心的极靴面积昂表示：o 。= b ，昂，品= 口，矗其中口，为定子极靴 圆周方向的极弧系数；极距f = a d t ( 2 p ) ；d | 为气隙圆直径：b 为定子极靴的 轴向长度，它与定子铁心的总轴向长度名之间的关系为；- - b , + 毛，其中也为 槽的轴向宽度定义极靴长度系数= b e ，k ，n i b e = 口。k 由此，可将毛写 成 e o = o 1 1 6 2 n p n b l a ，d t k ( 2 2 ) 由式( 2 2 ) 可看出，在保持电机电枢尺寸、转子转速以及每相绕组串联匝数 1 8 第2 章聚磁式横向磁场永磁电机结构及理论分析 不变的情况下，增加聚磁式横向磁场永磁电机的极对数，将使空载电势正比例增 加。 另一方面，永磁电机的出力还受电机内部热负荷限制热负荷可以用电枢气 隙直径圆周表面上单位面积分摊的绕组铜损耗表征，即 酷南= 采= 南孚= 鲁 亿。， 式中：p 、刀以分别是环形导线的电阻率和单匝长度； 芷、6 ，一导线的截面积、转子的轴向长度 令电流线负荷彳为沿电枢转子圆柱表面单位轴向长度上的安匝数 彳= n z b , ；，为环形导线中的电流密度，= i 墨，则 一p 凸：竽孚： 亿4 ) 凸2 _ 宁2 恤 7 显然在导线材料和电流密度一定的条件下，将受电机热负荷指标的限制 若将，用a 表示，即i = 一6 ，n ，则电磁转矩为 2 ：五p ：0 1 1 6 2 n p 了n = b ：丽a r 广a b d s l e 1 ；1 7 4 肚，口芦d 1 2 砖 ( 2 5 )12 五2 瓦i 丽一。l 一0 。脚尸一匕砟恤叫 定义转矩密度为单位电枢体积产生的平均转矩，则 亍2 丽t 一9 审柚鼍 ( 2 6 ) 式中口，为电枢转子内圆面积与外圆面积的比值。 普通径向磁场交流电机的转矩密度仅取决于电机内部的电磁负萄仰，但由 式( 2 6 ) 可以看出，聚磁式横向磁场永磁电机的转矩密度还同电机的轴向长废和极 距有关( z = k 0 由此可以看出，在保持电枢体积不变的条件下，适当增加长径比有利于提高 电机的转矩密度，但需要注意的是，电机的实际体积将增大 2 4 功率因数方程 负载运行时，该聚磁式横向磁场永磁电机等效电路电势分配为： 口- 血+ y x + j i x ( 2 7 ) 第2 章聚磁式横向磁场永磁电机结构及理论分析 式中：厅一电机电路电压 置一电机电路电抗 】0 一电机电路漏电抗 矢量图如图2 8 ( a ) 所示。当采用厶= o 的矢量控制方式，并忽略电枢绕组中电阻 上的电压降时，其矢量图转化为图2 s c o ) 所示形式。此时电机内功率因数角妒为 0 ，电流与电压之闻的功率因数角矿等于电压u 与空载电势民间的功率因数角 蚓 图2 8 t f p m 矢量图 d 观察图2 。8 f o ) 可知： t 瓶妒= e & ( 2 8 ) 式中，电枢反应电动势e 由交变的电枢反应磁通九感应而生，它由交轴电动势 e 和漏电动势e 两部分组成 e = e | + 易= 4 4 4 f l v , = 4 4 4 f l v ( 妒q + 屯) ( 2 9 ) 其中，丸由电枢电流磁动势，= n 产生。若忽略铁磁材料中的磁位降，即近似 的认为铁磁材料的磁导率无限大，则 六= ，( a 。+ a 。) ( 2 1 0 ) 其中， a _ = 竽= 华= 风k ，破g ) a ，= a _ 以= o 口6 ， 以 式中；，一电枢反应单个极下磁路的等效气隙长度； g = 2 p l 一电枢反应磁路的等效气隙长度； 第2