QDSJ328 轴向磁通电机原理和典型产品

盘式永磁同步电机作为轴向磁通电机的一种，因为其特殊的结构，不仅保留了永磁电机高效率、高功率因数的特点，而且具有较高的散热效率和紧凑体积的优点。与传统的柱式电机不同，盘式电机气隙内的磁通沿轴向传导，这一特点使得有限元仿真计算变得比较复杂。无论是盘式永磁同步电机还是传统的柱式永磁同步电机均采用永磁体励磁，这种励磁方式减少了感应电机中转子绕组或导条发热消耗功率的情况，因此电机效率得以提高。而盘式永磁同步电机的气隙长度、定子槽尺寸等参数沿径向不变，而极距𝜏、定子齿距𝑡、定子齿宽b𝑡等参数则均为直径Dm的函数。盘式永磁同步电机的气隙磁密𝐵𝛿、定子齿磁密Bt、定子轭磁密Bj，也是直径Dm的函数。盘式永磁同步电机由于特殊的结构，其设计相比传统电机较为复杂。就目前而言，电机的电磁计算，多采用磁路分环法进行分析计算，在得到初步数据后，再使用有限元仿真软件进行仿真分析得到更加详细的电机数据。在此过程中，通过调整设计参数达到优化电机的目的。轴向磁通电机的技术创新和量产应用，或将有效解决电动汽车领域目前所面临的一些突出难题，比如轻量化、扭矩密度和人们最为关心的续航里程等。在奔驰汽车发布的VisionOneEleven概念车，以及此前已经面世的法拉利SF90Stradale、296GTB和迈凯伦Artura等各种高性能车型上，整车驱动系统搭载应用的都是轴向磁通电机，这种电机也被各大超豪华汽车品牌认为是“目前高性能车通往电动化之路的最佳解决方案”。虽然径向磁通电机让整个汽车行业进入了电动化时代，但是轴向磁通电机在各个方面的表现都更好：它们不仅更轻、更小，而且还能提供更大的扭矩和更大的功率，这种突破性的电机能够以更小、更轻的身躯创造出更强大的冲击力，从而为汽车设计师们打开一个充满可能性的全新世界。径向磁通电机的扭矩与转子半径的平方成正比，而轴向电机的扭矩与转子半径的立方成正比，所以可以产生更高的扭矩数字；在输出功率相同的情况下，轴向磁通电机的体积比径向磁通电机小50%、重量轻50%，比如奔驰VisionOne-Eleven纯电概念车所搭载的轴向磁通电机，重量仅为同等输出功率普通电机的1/3。体积重量上的优势不仅大大减少了电机生产所需要的铜、铁和永磁等材料的使用，而且可以让轴向磁通电机布置在更加狭窄的地方，比如汽车轮毂的凹口，从而减少变速箱、传动轴等零部件的参与，减少动能损失，因此驱动效率更高，扭矩补偿作用也更为直接。同时，由于轴向磁通电机非常紧凑和轻便，安装它所需要的结构更少，这节省了更多的重量，而且它的转速不会达到像传统径向磁通其他子系统也可以从重量减轻中受益，比如刹车和冷却系统。总体而言，在效率和续航里程方面可以实现5-10%的提高。奔驰概念跑车"VisionOneEleven"，这款车除了独特的造型和设计之外，还配备了四台驱动电机，每台电机可输出480马力，整车拥有1920马力的最大输出。配备的YASA新一代轴向电机在2021年10月被奔驰收购，将在奔驰的柏林-马林费尔德工厂生产，将成为性能细分市场下一个动力总成的核心。目前99%的电动汽车都配备了径向磁通电机，但YASA的轴向磁通电机是径向磁通电机深度的1/3。由于元器件少，重量也是原来的1/3。更重要的是，这款紧凑型电机每台可产生480马力，比科尼赛克开发的同类型电动机多出145马力。创始人兼首席技术官Tim表示，“在传统的径向磁通电机中，电流垂直于旋转轴，而在轴向磁通电机中，电磁电流是它更强大、更耐用，能够达到全新的性能水平。”而这种轴向磁通电机的好处不仅仅是“重量和尺寸”，而且还增加了安装自由度。以前必须安装在车辆前后中央的电动机现在可以安装在车轮内部，还可以用作制动器以有效地储存动力，并且也可以用作制动钳。由于不需要在车身侧安装电机，车厢和行李厢的空间更宽，车身本是“重量和尺寸”，还有因此而增加的“安装自由度高”。高、效率高等优点国内外各企业和高校开始进行深入研究。盘式电机也随稀土永磁材料的发展而迅速发展，华中科技大学的辜承林教授分析了多种结构的盘式无铁心永磁直流电动机的磁场，并设计出无铁心转子；意大利的科研人员设计出16极多盘式无铁心直流永磁同步轴向电机，该电机主要应用于飞行器螺旋推进的驱动系统中。盘式永磁同步电机的产生是轴向磁通电机发展的结果，它的出现极大程度上解决了传统的柱式径向磁通电机存在的冷却效果差和转子铁心利用率低等致命性问题。相比于传统的永磁同步电机，盘式永磁同步电机更适合一些特殊的应用场合，只有不断研究才能发挥优势和改进不足，通过有限元分如果想法再大胆一点，可以把汽油车的发动机、变速箱、排气系统等拆下来，在每个轮子上装上这个轴向磁通电机，在某处空的地方装上电池和逆变器就可以快速制造出电动汽车，也可以使用汽油车平台制造廉价的电动汽车。因为不需要安装差速器和驱动轴，前后轮可移动的幅度更大，实现前所未有的汽车运动将成为可能。并且有可能实现完全不同的性能维度。换句话说，这种轴向磁通电动机具有无限的潜力，可以做到汽油发动机车辆无法做到的事情，并可以实现传统径向磁通电动机无法实现的布局。不仅有机动性，而且内部空间和承载能力将大大提高。电动汽车初创企业Infinitum推出了AircoreMobilitymotor3，这是一种轴向磁通推进和牵引电机，旨在为乘用和商用电动汽车提供更可持续的动力，以及其它新兴的电动平台，如航空、船舶和建筑设备。根据Infinitum的说法，AircoreMobility电机比具有同等额定扭矩的径向磁通电机效率高10%，体积小50%，重量轻。轴向磁通电机设计通过使用获得专利的PCB定子技术实现了这一点，该技术需要的铜减少66%，而不需要较重的铁芯。效率的提高和重量的减轻意味着电动汽车和其它电动平台的续驶里程范围更长，电池组更小、更便宜，充电时间更快。大多数电机是径向磁通电机的一些变体，它使用铁芯定子和绕组来产生旋转磁场，从而在定子内移动转子。铁有助于集中和增加磁场强度，但它很重，给电机增加了很大的重量。在轴向磁通电机中，转子盘位于定子旁边，轴向磁力（轴的力）在转子中引起运动。动汽车甚至航空等交通应用。Infinitum轴向磁通电机体积小、重量轻的关键是PCB定子。Infinitum的空气芯电机在定子中不使用铁芯和铜绕组。与传统电机不同，铜线圈直接蚀刻在PCB定子上，使得电机的重量和尺寸比传统设计少50%。在电动汽车动力系统应用中，来自牵引逆变器的驱动电流通过固定的PCB定子绕组产生轴向磁通量，从而移动转子并向前驱动车辆。除尺寸和重量外，没有铁芯的其它好处还包括减少定子磁滞和涡流损耗，从而提高效率或每单位电量输入的物理输出。PCB定子还通过消除与传统电机中的铜绕组和绝缘相关的潜在故障点来提高电机可靠性。径向与轴向磁通电机径向与轴向磁通电机模块化设计可扩展

铁芯与PCB定子AircoreMobility采用模块化设计，可在不改变核心电机结构的情可以使用广泛可用的标准电路板生产技术制造。况下根据应用的功率需求进行扩展。通过这种方法，可以根据需要组合多个PCB定子和转子，以满足应用的电力需求，从小型乘用车到特斯拉Semi等8级商用卡车。设计的灵活性使工程师能够试验不同的配置，快速添加定子和转子，以确定哪种配置最适合他们的功率和扭矩要求。与之前的机型相比，这种更高功率的可扩展性是AircoreMobility的关键区别。不同之处在于能够实现的可扩展性。这些特定的单元大约为150千瓦或200马力。在成本方面，PCB定子可以使用广泛可用的标准电路板生产技术制造。AircoreMobility电机具有多个转子和定子增加多个转子和定子的能力使得Aircore电机能在功率上进行缩放，但在电机紧凑空间中的热量管理方面也存在挑战。对于Infinitum说，用油基系统取代空气冷却是应对这一挑战的答案。盘毂动力的ICD150K轴向磁通电机，一台仅重24Kg的驱动电机，可以输出约150kW的峰值功率以及325N·m的最大扭矩，当一台汽车搭载上4个这样的驱动电机，可以想象它的性能可以多么强大。通过技术创新和正向研发，盘毂动力推出了以ICD150K为基础的新能源乘用车三合一分布式驱动解决方案，通过对电机、减速器、电控箱的高度集成化设计，大大降低了总成重量、缩减了总成体积，整套系统总成的重量不超过100Kg，峰值功率达到300kW，系统总成功率密度超过3kW/kg实现定制化的布置方案设计，其中「平行轴方案」有利于在Z向高度和Y向宽度方面预留更大的底盘空间；「同轴方案」的布置方式则可以在X向长度上获得更大的设计自由度，并且该方案在左右半轴的长度一致，总成质量分布更加均匀。盘式永磁同步电机设计主要尺寸设计单定子单转子盘式永磁电机，它的尺寸参数主要有定子外径Dmo、定子内径Dmi、电枢绕组导体有效长度lef、气隙长度δ、定子轴向长度l1和转子轴向长度l2，其中主要尺寸是定子平均直径Dav和电枢绕组导体有效长度lef。盘式永磁电机的主要尺寸比为(1)其中，𝛾=Dmo/Dmi称为电枢直径比。对于盘式永磁电机来说，汽车轮胎的内径是限制电机外径的重要因素，综合考虑取电机的外径为200mm，直径比取1.7，则内径为120mm，将外内径及直径比代入式(1)中得出电枢绕组导体有效长度为41.5mm。盘式永磁同步电机的转速和极对数之间依旧遵循基本公式，其中额定转速已经确定，若电源采用工频50Hz的话，电机的极数将会极少。所以，将电源频率设定为186Hz，最后确定电机采用分数槽设计，极数为24极，定子槽数为36槽。气隙长度设计：从电机的主磁路上看，气隙长度仅占其中一小部分，但是电机的气隙承载了大部分的磁动势，同时，气隙的长度转子上的感应电流是定子绕组的磁场通过气隙切割转子导条产生，若气隙过大会导致气隙中的磁动势损耗加大，结果是电机的效率下降，而永磁同步同步电机励磁磁场来自与转子上的永磁体，较大的参考现有电机，最终拟定气隙长度为1mm。定子槽型设计电机的气隙磁密B𝛿与电负荷𝐴主要会对电机的综合技术经济指标产生0.9T，定子齿部磁密为1.8T，定子轭0.5T，转子轭部磁密为1.0T，电机的电负荷𝐴取为14A⁄mm2。在确定了槽型、气隙磁密和定子齿部磁密后，即可参考异步电机的定子槽型设计对电机的槽型进行具体的参数设计。

图1 定子槽型及其尺寸永磁体选用钕铁硼材料，不仅可以使永磁体充分地发挥作用，也缩小了永磁体体积，减小了电机尺寸，在设计电机时应追求用最小的永磁体体积建立具有最大的磁能的气隙磁场。通过查阅文献，选定永磁体形状为扇形，并采用环形放置。永磁体的厚度是永磁体所有参数中最为重要的，通过分析可以得出永磁体理想情况下最经济的厚度应为气隙长度，但由于气隙磁密B𝛿≈Br/2，永磁体厚度过小会导致气隙磁密低从而影响电机效率。为了提高气隙磁密，在设计时应根据实际情况适当增加永磁体厚度，综上所述取永磁体厚度为4mm。电机主要尺寸性能参数因为此课题以轮毂电机为研究对象，盘式单定子单转子永磁同步电机的功率、转速和转矩参数的设计与传统径向电机的设计方法类似，本文不再赘述，所以得到电机最终参数如下表。表1 电机的主要电磁参数参数名称数值额定功率6kW定子外径200mm额定电压250V定子内径120mm额定电流17.9A轴向长度47mm额定转矩61.6Nm气隙长度1mm额定转速930r/min极弧系数0.73槽数36永磁体厚度4mm极数24永磁体牌号NdFe31额定频率186Hz仿真分析-仿真图

图2 电机整体模型有了以上数据后便可以在RM模块中进行电机的有限元仿真，RM中的计算结果是基于等效磁路进行的运算，要想详细地了解设计电机各个部分的磁密和电机反电动势波形、气隙磁密波形等参数还需对电机进行3D有限元仿真，得到整体3D模型如图2所示。空载仿真分析通过对电机空载时内部磁场的瞬态场有限元分析可以看出，由于电机采用了分数槽设计，定子铁心的磁密分布较采用整数槽电机有所不同，其中，位于磁极处的定子齿部磁密较其他位置的定子齿磁密要大。定子铁心内部的磁通方向主要为轴向，在定子齿部的边缘存在一定的漏磁通，转子上的磁路符合理论研究，将漏磁域宽度加大有效地抑制了永磁体的漏磁情况。通过空载有限元分析可以看出，盘式永磁同步电机磁路饱和情况主要存在齿顶部，其轭部及齿根部的磁通较少，但考虑到作为轮毂电机在运行过程中需要经常性的过载和启动，因此在设计时需要考虑将铁磁材料留有充足的裕量，就磁密设计而言应当避开材料的磁密饱和区。从图3中可以看出在一对极范围内，气隙磁密呈现正弦分布，均值为0.62T，最大处的磁密为1.65T。电机的空载反电动势波形图如图4所示，ABC三相反电动势有效值分别为129.1V、130.6V、122.0V，其波形基本对称。图4 电机定子绕组反电动势波形图基于分段法的二维有限元法分析因为盘式永磁同步电机的轴向结构，不能直接用2D模型对它进行分析，所以将盘式永磁同步电机的三维模型等效转换为直线电机的二维模型，对盘式永磁同步电机进行二维等效的常用方法为用一个直径大小为盘式电机中径的圆柱沿径向去截盘式电机，这样会得到一条完整的磁路，将截面拉长，就能得到一个直线电机的二维模型。在Ansoft软件中，以Dav×𝜋为纵向长度，其中Dav为等效直径，定子绕组有效长度为横向长度画出等效直线电机的二维模型，永磁体的尺寸同样取中径处的弧长为直线电机永磁体宽度，直线电机所用的材料与盘式电机完全相同，图5为建立好的直线电机模型。图5 等效的直线电机模型通过对等效