【《磁齿轮复合电机的结构设计案例》7700字】

致谢磁齿轮复合电机的结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u20243磁齿轮复合电机的结构设计案例 1119441.1 电动摩托车的动力性能要求 1282161.2 磁齿轮复合永磁电机的设计方法 29071.2.1 磁路法 2150341.2.2 有限元法 356721.3 电机结构参数设计 334851.1.1 主要尺寸和气隙长度 592041.1.2 定子 6238031.1.3 转子 9100361.1.4 磁齿轮复合电机永磁材料的选择 10277291.1.5 Halbach阵列充磁角度的确定 11262551.1.6 内电机转子永磁体厚度的优化 12154251.4 外部磁齿轮结构设计 13190301.4.1 Halbach阵列磁性齿轮的基本结构 1374951.4.2 磁齿轮采用Halbach阵列结构充磁优势 17278621.4.3 结构参数对磁齿轮性能的影响 2095231.4.4 磁齿轮结构可行性分析 21180321.5 电机结构参数设计结果 241.1 电动摩托车的动力性能要求本文设计的电机为磁齿轮复合电机，在设计之前需要满足电动摩托车的动力性能要求，核验电机的动力性能：（1）电机的外部尺寸要限制在车轮内部空间大小范围内；（2）电机应具备较大的转矩密度，并能较好地适应不同工作环境；（3）调速范围广，使电动摩托车可以适应复杂的路况；本电机设计的应用对象是电动摩托车，依据电动摩托车动力性能的需求并结合其实际工况，确定磁齿轮复合电机的性能要求，如表1.1。表1.1磁齿轮复合电机的设计要求名称参数相数工作电压额定功率额定转矩额定转速减速比3≤72V1.6KW12Nm3000rpm≥71.2 磁齿轮复合永磁电机的设计方法1.2.1 磁路法在电机的设计过程中，根据给定的边界条件，直接利用麦克斯韦方程组求解磁场的分布规律是比较困难的。采用场化路的方法，可以将磁场计算问题化等效的磁路计算，简化电机设计时的计算过程。图1.1简单的给出了磁路图和电路图。该磁路系统由一个环状铁芯和铁芯上缠绕的匝线圈组成。线圈通入电流，由于铁心材料磁导率是空气的几千倍大部分磁路都从环形铁心中通过。假设该环形铁心的截面积为且处处相等，则铁心各处的磁场强度也都是相等的。磁路物理量和电路物理量的对比如表1.1。由于此方法的计算精度相对较低，并且无法考虑磁饱和情况，一般只能用于电机的初步设计。图1.1磁路图（左）和电路图（右）表1.2磁路法和电路法主要物理量的对比磁路电路磁动势磁通磁阻电动势电流电阻1.2.2 有限元法有限元法是将求解的区域分成若干个小的单元，再利用边界问题求解方法对这些小的单元分别进行计算，之后总合所有小单元的求解结果，得到整个区域的近似解，具体过程如图1.2所示。图1.2磁齿轮复合电机的设计步骤1.3 电机结构参数设计如图1.3磁齿轮复合电机主要有内部电机和外部齿轮复合而成，首先需要对内部永磁电机进行设计。在对内部电机进行设计时，首先按照传统径向充磁结构进行设计，再将其磁极排列方式替换为Halbach阵列充磁结构，如图1.4所示。图1.3磁齿轮复合电机结构示意图图1.4内部电机结构：传统径向结构（左）Halbach充磁结构（右）内部永磁电机各部分的结构参数直接决定了电机的性能，需要对内部电机的轴向长度、定子冲片和永磁体厚度等参数进行初步计算[63-65]。本设计采用磁路法和有限元法进行计算，利用磁路法计算得到初步设计结果；再通过有限元法进一步对电机的设计参数进行调整。具体的操作步骤如图1.5所示。图1.5磁齿轮复合电机的设计步骤1.1.1 主要尺寸和气隙长度本设计根据给定的性能指标来确定电机的各类结构设计参数。电机主要尺寸包括电机定子外径和电枢的计算长度，这两个参数决定了电机的体积大小，同时也直接影响电机的转矩密度大小[93]。电机定子的外径和电枢的计算长度计算方程可表示为(1.1)式中：为电机的额定转速，是电机气隙磁密的幅值，表示电机气隙磁密波形的修正系数，αi是电机磁极的极弧系数，代表电机电枢绕组的修正系数，是电机额定负载时电负荷的大小，´代表电机的计算功率，是常数[89]。从上式可看出，在设计电机的主要尺寸时，电机的长径比和多个参数有关，要结合多个因素综合考虑。(1.2)式(1.2)为估算电机计算功率的公式。其中：为所估算电机的额定功率，为修正系数，在实际计算中一般取经验值，为电机的额定效率，为电机的额定功率因数[89]。电机的电枢计算长度也会直接影响电机的转矩密度，若永磁体的总长度与电枢的总长度相等，则此时电机磁场的端部效应可以近似忽略，此时有(1.3)(1.4)如式(1.4)所示，电机的轴向长度与电机外径的比值称为电机的长径比，通常取0.6~1.5之间，根据实际的安装场合进行调整[89]。电机长径比越小，电机呈扁平状；长径比越大，则电机会呈细长状。由于本设计的电机为轮毂电机，在安装空间的限制下，需要做出相应的调整。电机气隙的长度的大小直接决定了电机的抗去磁能力和制造成本。如果气隙的长度过大，会使得磁路的磁阻很大，抗去磁的能力会很弱，不利于电机高速运行；若气隙长度过小，电机加工时精度要求就会提高；同时，气隙长度的设计根据所选永磁材料的不同而有所差异，对于选用材料矫顽力较小时，可以取小一些；当磁极材料的矫顽力大时，可取大一点。1.1.2 定子电机的主要结构参数确定后，需要对电机定子的极对数和槽数进行确定。其中，在一定的范围内，减少极数，会造成电机的工作频率降低。但是极对数减小后，永磁体所占的空间也会相应减小，造成电机电磁负荷的利用率下降。以代表电机定子槽数和极对数的最小公倍数，的会直接影响电机齿槽转矩的大小[95]，其关系可表示为(1.5)式中，HCF代表槽数Z和极对数2P的最大公约数，本设计中槽数Z=27，P=6，为便于绕组的下线定子槽采用平行齿结构。图1.6交流电机绕组的分类绕组是电机的重要部分，电机绕组种类可分为多种，图1.7给出了电枢绕组的分类。通常来说，单层绕组的端部较长，一方面增加了导线的用量，使电机的制造成本升高，另一方面导线在工作中会发热，影响电机的效率和散热。此外，单层集中式绕组在电机运行时，产生的谐波磁势含量较高，谐波会导致电机产生振动。所以在本设计中，电机定子绕组选用双层绕组方式。(1.6)式(1.6)中,为定子绕组的相数，是一个真分数，不可约分。如果为整数，则整数槽绕组，如果为分数，则为分数槽绕组[96]。电机采用分数槽绕组的可以缩短绕组端部长度，减少导线用量。并且电机绕组采用分数槽时，在相同导线匝数的情况下，可以提高定子齿部的磁通密度，使电机获得更大的输出功率。绕组端部长度的降低也可以使得电机的铜损耗降低，并降低电机运行时的发热。总结而言，分数槽绕组具备以下优点：（1）相比整数槽绕组端部更短，导线的使用量降低，铜损耗更小；（2）采用分数槽绕组，定子槽中可嵌入更多的导线，可使槽内部的空间得到充分利用；（3）分数槽绕组可以改善气隙磁场的磁通分布，进而降低电机的转矩脉动，改善电机的输出性能。因此，本设计中选用了分数槽绕组。在确定了以上参数后，还要确定每槽中的导体数。其中，每相绕组的串联线圈匝数，根据空载反电势计算得到，如下式：(1.7)其中：为电机波绕组系数；为电机气隙磁通系数；为电机空载主磁通[96]。其中，可以由下式确定：(1.8)式中：为永磁材料的工作点；是电机正常工作状态下的气隙磁通系数；是气隙的磁通系数；是空载时的漏磁系数[96]。进而可以得到电机的每槽导体数(1.9)式中，为并联支路数。在电机定子冲片的设计中，要根据电机的实际工程需要选取合适的定子槽型并确定定子槽口的开口大小。根据电机的极对数和定子槽数，本设计选用平行齿结构，定子齿宽由1.10确定(1.10)式中：为电机的气隙磁通密度，为电机定子的齿距，代表硅钢片的叠压系数，代表定子齿部磁通密度[96]。图1.7电机绕组连接方式图1.8电机绕组排布图1.1.3 转子内部电机磁极采用Halbach阵列结构，但是其设计方法与普通径向充磁结构电机基本相同，在磁极的设计过程中可先按照传统径向充磁结构进行设计，之后替换为Halbach结构。图1.9为常见的两种转子磁路类型。左图表贴式结构，其制造简单，成本低廉，但是在高速旋转情况下永磁体容易发生脱落，适用于转速不是特别高的电机；对于高速电机，内置式磁路结构较为合适，但是内置式磁路结构加工复杂、成本较高，并且需要对永磁体磁极进行隔磁处理。图1.9转子磁路结构：表贴式（左）和内置式（右）本设计中电机的额定转速为3000rpm，适合选用表贴式结构。在磁齿轮结构中，外转子也选用表贴式永磁结构。电机转子上永磁体的结构参数可由式(1.11)确定。(1.11)式中：代表电机磁极的径向厚度，为磁极永磁材料的相对磁导率，为电机转子的极距，为电机的气隙长度，为气隙极弧系数，为永磁体弧度[96]。1.1.4 磁齿轮复合电机永磁材料的选择永磁材料的种类多种多样，在永磁电机的设计中，选用合适的材料对电机的性能和加工制造尤为重要[89]。表1.3给出了目前应用较多的几种永磁材料的牌号及其主要性能参数。在电机的永磁材料选择中，主要考虑到以下几个方面：首先应具备良好的机械性能，便于安装和制造；其次所选材料要尽量经济。由于电机的转矩密度和永磁体的剩余磁感应强度是直接相关的，为保证电机具有较高的功率密度，在本设计中选用剩磁密度高、矫顽力强的N30SH作为Halbach磁齿轮复合电机的永磁材料。表1.3部分牌号永磁体的主要性能牌号剩磁密度/T矫顽力/(kA/m)内禀矫顽力/（kA/m）最大磁能积/(kJ/m3)最高工作温度/℃N351.17~1.21≥868≥955263~28780N381.21~1.25≥899≥955287~31080N401.25~1.28≥923≥955318~34280N421.28~1.32≥923≥955318~34280N451.32~1.38≥876≥955342~36680N481.38~1.42≥835≥876366~39080N33H1.13~1.17≥836≥1353241~247120N35H1.17~1.21≥868≥1353263~287120N38H1.21~1.25≥899≥1353287~310120N40H1.24~1.28≥923≥1353302~326120N42H1.28~1.32≥955≥1353318~342120N45H1.32~1.38≥955≥1353342~366120N30SH1.13~1.17≥844≥1592247~272150N35SH1.17~1.21≥876≥1592263~2871501.1.5 Halbach阵列充磁角度的确定在本设计中，对于内电机的设计，首先根据传统径向充磁永磁电机对电机的定子结构进行设计，再将外转子进行分块并按照Halbach阵列对各块进行充磁。图1.10给出了传统充磁方式的内电机结构和应用Halbach阵列充磁方式下的内电机结构。图1.10传统充磁方式的内电机结构（左）和Halbach阵列充磁方式的内电机结构（右）图1.11Halbach阵列充磁方式的内电机结构充磁方向示意图图1.11为采用Halbach阵列充磁的内电机磁极结构局部放大图，图中箭头方向代表各段永磁体的充磁方向。采用不同的分块方式和充磁角度排列，电机性能也有所不同。目前Halbach阵列中比较常见的辅助磁块充磁方向主要有30°、45°和60°三种。在本设计中，分别对三种充磁方向角度下电机的转矩的性能进行了比较，三种充磁角度下的转矩性能如图1.12所示。如图1.12所示，在相同的激励和相同厚度的永磁体的前提下，三种不同角度下的转矩分别为10.56Nm、12.25Nm和11.48Nm，转矩脉动分别为7.71%、4.95%和7.12%。虽然在为60°时内电机平均转矩最高，但是其转矩脉动也随之增大。若采用45°方向充磁，在电机加工制造时可节省一套永磁加工模具以达到降低制造成本的，综合考量下本设计内电机转子和磁齿轮内环辅助磁块采用45°方向充磁角度。图1.12Halbach阵列充磁方式的内电机结构充磁方向示意图1.1.6 内电机转子永磁体厚度的优化本文所设计的磁齿轮复合电机中的内电机磁极的充磁方式采用了先进的Halbach阵列，磁极的厚度直接决定了电机气隙的磁场强度和电机最终的电磁性能，在电机结构参数中是比较重要的一个参数。选取合适的磁极厚度，对电机的转矩输出和功率密度等性能十分关键。所以对电机磁极厚度进行优选是十分必要的。图1.13内电机转子永磁体厚度与空载反电势的关系图1.14内电机转子磁极厚度与电机平均转矩的关系如图1.13和图1.14所示，电机转子永磁体厚度与电机反电动势的大小成正比例关系，但随着永磁体厚度的增加，在永磁体厚度为4mm之后，受到磁饱和的限制，反电动和转矩的大小上升幅度变小。所以，本设计内电机转子永磁体厚度取4mm进行研究。1.4 外部磁齿轮结构设计1.4.1 Halbach阵列磁性齿轮的基本结构本质上，磁齿轮磁力转矩的根本是气隙中谐波磁场的相互耦合[97]。内、外转子上的永磁磁极对磁性齿轮的转矩密度产生重要的影响，影响磁极性能的因素有很多。磁极永磁材料的型号及用量大小、磁极采用的充磁方式以及磁极的排布方式等都会对性能产生影响。同轴磁性齿轮的永磁磁极通常采用稀土永磁钕铁硼材料制成，它的突出优点包括：剩磁密度很高，退磁曲线的线性段很宽，矫顽力很强、不易退磁等。其缺点是价格较高，达到同等质量的铁氧体的十倍以上。显然，在铁心未进入饱和之前，磁极材料的用量越多，同轴磁性齿轮的转矩密度越大。然而，在控制制造成本的考虑下，增加永磁体用量并不是提升转矩密度的最佳方案。磁极的安装位置也可能影响到它的磁场强弱。目前，磁性齿轮的最常见结构是磁极安装在内、外转子的表面，因而又称之为“表贴式”。随着近年来的研究深入，也出现了表面嵌入式和内嵌式的安装方式。选择不同的磁极安装位置，磁齿轮的综合性能会发生显著差异，但很难就此问题进行专门的讨论并得出一致性的结论。因为其涉及的细节太多，而这些细节在不同的情况下有可能产生截然不同的影响。但是，对于磁极的充磁排布方式可以具体研究，其中采用Halbach阵列充磁结构和普通传统表贴式径向充磁相比较优势明显。在保持磁极材料用量一致的前提下，采用Halbach阵列结构充磁的磁性齿轮性能在多个方面都要优于传统的径向充磁结构。图1.15传统径向充磁方式的磁性齿轮结构图1.15为传统径向充磁结构的磁场调制型磁齿轮，图中两种颜色的分别代表N、S两种磁极，磁极上的白色箭头所指方向即为每块磁极的充磁方向。内、外转子永磁体一侧要有导磁材料构成的轭部，调磁铁块固定在两转子中间不动。本设计在传统的径向充磁结构之上进行改良，在磁齿轮的内、外转子磁极上引入Halbach阵列充磁结构，其结构示意如图1.18所示。在新方案中，磁齿轮也是由内、外转子和调磁环三部分构成，这与传统充磁方式的磁场调制型磁性齿轮相同。但不同的是，分别对内、外转子的永磁进行分块，在保证极对数不变的前提下按照一定规律进行充磁。在内、外转子磁极中，相邻各块永磁体的充磁方向各不相同，图1.16中箭头所指的方向为每块磁极的充磁的方向。图1.16采用Halbach阵列充磁方式的外部磁性齿轮结构在Halbach阵列充磁结构中，径向方向充磁的磁极作为主要磁极和切向方向充磁的磁极辅助磁极。如图1.18所示，内、外转子的每对磁极被分为4块。采用Halbach阵列将每块磁极进行排布之后，一侧的磁场强度会得到加强而另一侧会被削弱。在工程实际应用中，这一特性有利于提升电机的转矩密度和永磁材料利于率。现假定磁齿轮的极数为，在Halbach阵列中，每极磁极被均分为块，那么分完后每一小块所占的电角度为： (1.12)设磁极的起始的中心线位于x轴上，且充磁方向沿正方向。此时磁齿轮的内转子磁极的充磁方向为：(1.13)磁齿轮外转子上磁极的磁化方向为： (1.14)其中表示块中的第块，由式(1.13)和(1.14)整理可得： (1.15)其中“”为内转子，“”为外转子。将转子每个磁极的均分成块后，则每块占电角度为。以每极中的第一块为基准，且假设每块永磁体之间没有发生相对转动，那么磁极中第二块永磁体中心线相对于第一块永磁体的中心线需要旋转的电角度为。内转子磁极中的永磁体转动方向与外转子方向相反，那么内转子磁极中第块永磁体的中心线相对转动的角度应为： (1.16)永磁体的磁化强度为： (1.17)其中： (1.18) (1.19)根据傅里叶分解可得： (1.20) (1.21)其中“”代表外转子；“”代表内转子；为内、外转子上永磁体的极数；是每极所被分成的块数；代表每极中的第块；为所选永磁材料的剩磁密度；为真空磁导率；为磁齿轮气隙中的气隙磁密的谐波次数。由以上公式整理可得： (1.22) (1.23)1.4.2 磁齿轮采用Halbach阵列结构充磁优势采用有限元工具对图1.15、图1.16所示两种结构同轴磁性齿轮建模分析。图1.17、图1.18分别给出了两种不同结构磁力线分布情况。图1.17采用传统径向充磁方式的磁齿轮磁力线分布图1.18采用Halbach阵列充磁方式的磁齿轮磁力线分布从图1.17、图1.18可以清楚的看到，在采用Halbach阵列磁极的同轴磁性齿轮中，内、外转子铁心轭部的磁力线分布密度比采用传统径向充磁磁极的结构稀疏很多。这意味着，铁心轭部的磁感应强度大大减弱，即Halbach阵列磁极的自屏蔽效果得到体现。这会带来两个方面的好处；第一，铁心轭部的厚度可以适当缩小，从而减小磁性齿轮的体积和重量，并节省材料成本；第二，由于铁心轭部的磁感应强度减弱，由磁通变化引发的铁耗也会随之降低，即磁性齿轮的传动效率得以提升。其次，通过观察可知，在两种结构齿轮的转子铁心轭部，磁力线均勾勒出6个波头，这证实了内转子磁极阵列的确形成了3对极磁极。而在外转子铁心轭部却很难观察到外转子磁极阵列所形成的22对极分布。出现这一情况的原因是：由于Halbach阵列的特性，内转子磁极在外侧空间简历的磁场被加强，而外转子磁极在外侧空间建立的磁场被削弱，因此，在外转子铁心轭部，观察到的依然是内转子磁极阵列建立的3对极磁场，它掩盖了外转子磁极阵列建立的磁场。图1.19传统径向充磁方式磁齿轮的内层气隙磁密图1.20采用Halbach阵列充磁方式磁齿轮的内层气隙磁密图1.21传统径向充磁方式磁齿轮的内层气隙磁密频谱图1.22采用Halbach充磁方式磁齿轮的内层气隙磁密频谱图1.19、图1.20分别给出了两种不同充磁方式下磁齿轮内层气隙的径向气隙磁密波形。从图1.19可以看到，采用Halbach阵列后，气隙磁密的波形的正弦性得到了提高。这也可以从图1.21、1.22气隙磁密空间谐波谱的对比中得到证实，采用Halbach阵列结构充磁后，谐波分量明显减少，这些谐波是引发转矩脉动的因素。并且基波幅值基本保持不变，也就意味着磁性齿轮输出功率的大小未受到影响。通过对比可以得出结论，采用Halbach阵列充磁结构，相较于传统径向充磁结构是十分有利的。1.4.3 结构参数对磁齿轮性能的影响在同轴磁性齿轮中，调磁环的磁场调制效果在相当大的程度上受到调磁铁块径向厚度的影响。如图1.23所示，调磁环的径向厚度表示为，将径向厚度的最小值和最大值分别设定为18mm和25mm，步长为1mm，其他参数不变。图1.23调磁环结构如图1.24、图1.25所示，分别为不同径向厚度的调磁铁块时，磁齿轮内外转子最大转矩大小和额定工况下内、外转子输出转矩脉动大小。可以看出，在一定范围内，磁齿轮内外转矩最大值随增大而减小；内转子转矩脉动随变化较大，外转子转矩脉动基本不变。综合最大转矩和转矩脉动，调磁铁块径向厚度取23mm。图1.24调磁铁块厚度对内外转子最大转矩的影响图1.25调磁铁块厚度对内外转子转矩脉动的影响1.4.4 磁齿轮结构可行性分析磁齿轮的气隙是磁场谐波耦合产生磁力转矩的关