【《磁齿轮复合电机的研究现状文献综述》3800字】

磁齿轮复合电机的研究现状文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u27301磁齿轮复合电机的研究现状文献综述 1160591.1 国内外轮毂电机的研究现状 1184381.2 磁齿轮的研究现状 2166291.3 Halbach阵列的优势 5264691.4 Halbach阵列国内外研究现状 644241.5 磁齿轮复合永磁电机的应用前景和研究的意义 62363参考文献 71.1 国内外轮毂电机的研究现状二十世纪五十年代，美国通用电气公司采用美国学者Robert的设计思路，在大型矿用机械车上采用了早期的轮毂电机结构[30]。1990年清华大学研制出“半轴结构式高速有刷轮毂电机”驱动系统[31]。图1.2通用汽车公司的轮毂电机轮毂电机的出现，提高了电动摩托车的整体性能，通过对车轮和电机的集成使得电动摩托车整体结构更加简便，制造成本也有所降低[32]。随着近年来世界各国专家对轮毂电机的研究不断深入，轮毂电机技术取得了诸多突破性进展。日本三洋电机设计了一款气隙长度很小的轮毂电机；南洋理工大学对轮毂电机中永磁体和电枢磁路进行了优化；德国学者对电动摩托车用高转速高转矩轮毂电机进行了深入研究;马来西亚科技大学对轮毂电机的极槽配合方案进行研究,得出了8p9s的最佳方案[20][33-36]。国内专家学者在轮毂电机研究领域也取得了令人瞩目的成果，其中南京航空航天大学以磁阻电机为模型研究出一种具有优良转矩特性的磁阻型轮毂电机[37]；天津大学设计了一款永磁无刷轮毂电机[38]；浙大对内转子无刷电机的绕组进行了改良，通过采用集中式绕组，使得电机内绕组的端部长度得到了有效降低，这也使得电机的铜损耗得到了降低，从而提高了电机的效率[39]。1.2 磁齿轮的研究现状磁齿轮装置最早问世于二十世纪初期[40]，但是由于当时永磁材料以及传动效率较差，使得其并未得到多的关注。二十世纪末，新型稀土永磁材料--钕铁硼（NdFeB）问世，这种永磁材料相较传统的磁性材料磁能积有了很大程度的提高，并且其使用的原料资源丰富、价格也相对低廉。随着新型高性能永磁材料的出现，磁齿轮装置又开始得到了越来越多的关注[41,42]。早期的磁齿轮结构与机械齿轮结构相似。图1.3到图1.8给出了早期几种不同类型的磁齿轮结构[41-52]。这几种磁齿轮装置无需机械齿结构，所以其结构相对简单。但是在传统的磁齿轮装置中，传动时处于有效工作状态的磁极占比很低，使得其永磁磁极并未得到完全利用，转矩密度不高，同时在传动过程中工作状态以外的磁极产生谐波磁场还会导致转矩脉动等不利作用。图1.3外啮合磁性齿轮结构图1.4内啮合磁性齿轮结构图1.5“伞”状磁性齿轮结构图1.6涡轮蜗杆磁性齿轮结构图1.7齿轮齿条磁性齿轮结构图1.8行星齿轮磁性齿轮结构图1.9谐波型磁性齿轮结构如图1.9所示，为谐波型磁性齿轮结构[53,54]，这种谐波型磁齿轮在工作时，有效工作的磁极有所增加，使得转矩密度有了较大的提升；同时与机械齿轮相比，减速比也有了较大的提高[55]。2001年，国外专家提出了一种磁场调制型磁齿轮。这种磁齿轮的各个部件都在同一轴上，主要是由内侧高速转子、中间调磁环和外侧低速转子三部分构成[56]。内、外转子结构上的永磁磁极安装方式可以采用不同的安装方式[57-60]或者采用Halbach阵列的永磁体排列[52][61,62]等。其内、外转子之间的结构为调磁环，工作时固定的调磁环对旋转的内、外转子在气隙中形成的磁场进行调制。图1.10磁场调制型磁齿轮结构相比于传统磁性齿轮，在转矩传动过程中磁场调制型磁齿轮的内、外转子上的全部磁极都处于工作状态，使磁极得到了有效利用，提高了永磁体的利用率，并使得同等体积的磁齿轮结构能够产生更大的转矩输出，提高了转矩密度。在此基础上，法国学者利用磁场解析法，对磁场调制型磁齿轮进行了研究[63]；同时香港理工大学傅为农教授[64]和香港大学的K.T.Chau教授[65,66]，对其进行了更进一步的研究和优化设计。图1.11磁性齿轮复合永磁同步电机磁齿轮装置实现了电机由高速、低转矩转变为低速度、大转矩传动。江建中教授和K.T.Chau教授等提出将其与永磁同步电机复合的想法[67]，如图1.11所示。这种将传统永磁电机与磁齿轮结构相结合，实现了将内部电机高速低转矩转变为低速大扭矩的输出，省去了传统动力系统中的机械齿轮箱结构。将磁场调制型磁齿轮装置和传统永磁同步电机二者优势相结合，在发电风机[68]、电动汽车[69,70]等领域中的得到了广泛应用。1.3 Halbach阵列的优势相较于传统径向充磁结构，Halbach阵列充磁方式优势明显[71]，使其够在工业生产中得到广泛应用[72,73]。图1.12Halbach充磁结构下的磁场分布气隙磁密是电机的一项重要性能指标，在传统的永磁电机中，普遍采用径向充磁结构，气隙磁场中谐波含量较高，造成电机性能的下降。研究发现，采用Halbach阵列对电机磁极进行充磁，可以有效的降低气隙磁场中谐波含量，改善电机气隙磁密波形的正弦性。这种充磁结构主要具有以下优点：(1)降低气隙磁密谐波含量，对电机的齿槽转矩以及转矩脉动可有效减小[74]。(2)采用Halbach阵列进行充磁，可以提高气隙磁密幅值，在相同的电机输出性能要求下，提高电机的功率密度[75]。(3)磁路的单边屏蔽特性，可以减小甚至省去磁轭[76]。(4)能够有效降低电机的空载损耗，提高电机运行效率。综上所述，电机磁极采用Halbach阵列进行充磁，可以有效提高电机的各项性能。也正由于Halbach阵列拥有以上的诸多优势，将该种充磁结构应用在电动摩托车轮毂电机中，可以提高电动车的整体运行性能和电池的利用率。1.4 Halbach阵列国内外研究现状1979年，Halbach阵列磁极结构由美国学者提出，并应用在粒子加速器等领域[78,79]。直到上世纪末，人们才发现Halbach阵列的巨大优势[80]，并在高转矩密度和高精度的永磁电机中应用[81]。麻省理工大学的Kim研制出一套应用Halbach可实现平台的多维度动作的平台定位系统[81,82]；Nikon公司将其应用在光刻机中的直线电机中[83]；加州大学开发了一款高适应性的Halbach永磁电机[77,84]；韩国现代汽车在产品中也应用Halbach技术。可以看出，应用Halbach的电机结构整体性能可以大大提高整车的驱动性能[85]。Z.Q.Zhu通过归纳，得到了关于Halbach电机设计方法[86,87]。近年来，国内对Halbach充磁结构的研究也有很多，浙大对Halbach阵列的磁屏蔽效应进行了针对性研究，山东大学对Halbach阵列的极间隔断进行了研究[75][88,89]；沈阳工业大学在血液循环主推系统中应用Halbach充磁结构[77]；中科院对Halbach阵列充磁结构也有所涉及[89]。研究表明，电机采用Halbach阵列充磁结构能对整体性能有所提高，但将其应用于实际工程领域很少。在电动摩托车驱动系统中应用Halbach阵列充磁结构，尚属于一个比较新颖的一个研究。1.5 磁齿轮复合永磁电机的应用前景和研究的意义磁齿轮复合电机是将传统的永磁同步电机与磁齿轮装置进行复合，使复合后的电机既具有传统永磁电机的优势也同时具备磁齿轮传动的优点。磁齿轮复合永磁电机的优势为（1）可以消除机械齿轮因机械接触产生的振动、噪声和相应的损耗；（2）无需润滑等运行维护，提高了工作可靠性；（3）避免了机械齿轮过载而产生的断齿现象；（4）具有更的高转矩密度和功率因数；当然，事物具有两面性，由于磁齿轮复合永磁电机比较复杂的电机结构，对制造时工艺水平要求较高。此外，目前仿真计算过程中发现，磁齿轮复合电机结构的齿槽转矩和转矩脉动相对较大；同时由于使用了大量的永磁磁极，使得电机在运行时，内、外转子和调磁环中产生比较高的铁损耗，直接影响了电机的效率。目前国家正在大力推广新能源车的使用，作为零尾气、高效、节能的电动摩托车，今后将迎来巨大的消费市场。开发高性能的电动摩托车成为当今各国的重要研究课题。既往采用直流电机或者永磁同步电机和驱动电机配合齿轮箱构成动力系统作为电动摩托车的动力装置，磁齿轮复合永磁电机无需减速装置和突出的转矩密度优势必将会在未来的电动摩托车行业占据一席之地。参考文献[1] 刘斌.我国新能源汽车的现状及前景分析[J].环球市场,2016,(23):178-178.[2] 刘志华.浅谈电动车火灾成因和预防对策[J].商品与质量:学术观察.2011,(9):229-229,218.[3] 辜承林.国内外轮毂电机应用概况和发展趋势[J].微电机.2007,40(9):77-78.[4] 贡俊.曹中圣,杨喜军,雷淮刚.电动自行车用各种电机的分析比较[J].电机与控制应用,2001,2(19):31-32.[5] GuilongMa.CurrentSituationandDevelopmentTrendofElectricBicycleinChina[C].NationalBicycleIndustryInformationCenterinShanghai.2002.[6] 史庆夫.磁场特性对永磁同步电机特性的影响研究[D].哈尔滨工业大学,2009.[7] 张好明.Halbach永磁电动机的计算机辅助设计[D].南京航空航天大学,2004.[8] 宋国强,赵朝会.Halbach列永磁电机的研究[J].电机与控制应用,2008,35(7):12-17.[9] 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