電動車用Halbach永磁輪轂電機的分析設計

金小香

摘要:本文提出一種用于電動車的輪轂電機，采用Halbach永磁陣列，與傳統徑向充磁方式相比，它能減小轉子軛部的磁密，進而可以減小電機的鐵芯損耗和體積，此外，它還可以增加氣隙磁密，因此，本文所提出的電機具有高轉矩密度和高效率。利用有限元軟件對該電機進行仿真分析設計，結果顯示該Halbach永磁輪轂電機適合于直驅電動車用。

關鍵詞:Halbach；永磁輪轂電機；有限元

0引言

能源與環境污染的日益嚴重，致使電動汽車成為了目前的重要發展趨勢。電機驅動系統是電動汽車的重要組成部分，它的驅動方式分為集中電機驅動和輪轂電機驅動[1]，其中，輪轂電機驅動將動力、傳動和制動裝置都集整在輪轂內，略去許多笨重的機械部件，精簡了車輛的結構，成為電動汽車驅動方式的重要發展方向。但是，采用輪轂電機驅動方式，必然會增加車輛的非簧載質量，進而會使車輛行駛的平穩性與操控性變差，因此，研制集成度高、體積小、重量輕的高效率、高轉矩密度輪轂電機驅動系統十分重要。

本文提出的電動車用Halbach永磁輪轂電機，基于磁齒輪的磁場調制原理[2]，采用低速外轉子型結構，使得電機結構簡單、無減速機構及齒輪的磨損問題，再利用Halbach陣列的自屏蔽效應[3]，提高了輪轂驅動電機的運行效率與轉矩密度。

1Halbach永磁輪轂電機結構

本文提出的電動車用Halbach永磁輪轂電機結構如圖1所示，從圖中可以看出，該電機外轉子與定子之間只有一層氣隙，電機的外轉子可以直接與輪胎輪輞相粘合，采用Halbach陣列充磁方式的釹鐵硼永磁體嵌入在電機外轉子的軛部，每極由三個永磁塊組成。

圖2（a）中展示了具體的永磁塊的充磁方向，為了對比電機的性能，相應設計了徑向充磁方式的永磁輪轂電機，如圖2（b）所示。

該Halbach永磁輪轂電機基于磁齒輪的磁場調制原理，直接利用定子齒的端部來調制定子電樞繞組產生的高速旋轉磁場和外轉子上永磁體產生的低速旋轉磁場。與磁齒輪或其他磁場調制型單氣隙永磁電機相似[4] [5] ，本電機滿足：

Pr = zs – ps （1）

其中，zs 是定子齒數，pr是外轉子永磁體極對數，ps是定子電樞繞組極對數。相應的，電機的變速比Gr為：

（2）

其中m=1,3...,k=0,+1,+2...

設計該電機時，選取m=1,k=-1,因為此時能產生最大的磁場調制。定子槽中繞有三相對稱電樞繞組，因此 zs 應該為3的倍數，綜合考慮電機的制作工藝、電機的高性能、低轉矩波動以及高轉矩傳輸能力，將外轉子極對數和電樞繞組極對數分別設計成23和4，根據公式(1)、(2)，分別得到zs=27， Gr= –5.75，也就是說電樞繞組產生的高速旋轉磁場經磁場調制的作用，帶動外轉子低速旋轉，轉速只有電樞繞組旋轉磁場的4/23，具有直驅能力，無需配備減速齒輪箱 。

2Halbach永磁輪轂電機設計

2.1Halbach 陣列

Halbach陣列通常可以通過將不同磁化方向的永磁塊按規律組合而成。每極永磁塊的個數不同，halbach陣列形式也就不同。每極永磁塊的個數越多，得到的氣隙磁密分布就越正弦，這可以幫助減小齒槽轉矩。然而，每極永磁的塊數越多，加工維護費用也越高。此外，不同的每極永磁體塊數和磁化方向也會帶來不同的磁場密度。

基于上述因數，將該Halbach永磁輪轂電機的每極永磁體塊數設計為3。每極中三塊永磁體的磁化方向如圖2(a)所示，中間那塊采用徑向充磁，旁邊兩塊的充磁方向相互對稱，與中間的永磁塊充磁方向成一角度θ。為了分析三塊永磁體的寬度比（用b/2a 表示）和磁化方向（用θ表示）這兩個量對電機的性能的影響，先將每極整個永磁體的寬度和厚度設定好。受永磁體加工工藝的限制，將b/2a 選定在0.33到0.55之間，考慮到氣隙磁場密度，將θ選定在10°到80°之間。利用有限元仿真軟件得出如圖3所示的關系圖，可以看出，在整個永磁體的寬度和厚度一定的情況下，θ在45°~ 50°之間時，電機的輸出轉矩比較大；b/2a在0.48 到 0.55的范圍內，電機轉矩變化幅度比較小，且當b/2a 為 0.54時，可以得到最大轉矩。考慮到永磁塊寬度過小后容易發生退磁，最終將Halbach 陣列充磁角度θ和寬度比b/2a分別設計為45°和0.48 。

2.2永磁體寬度

導致車輛動力系統振動和車輛內部噪音的主要原因之一就是輪轂電機的振動，因此，減小電機的轉矩波動尤為重要。本文所提出的Halbach永磁輪轂電機中，永磁體的寬度是影響電機轉矩波動的一個重要參數。圖4展示了電機轉矩波動隨永磁體（磁化方向已優化）的寬度的變化關系。其中，X軸代表每極轉子軛部寬度與整個永磁體寬度的比值，用圖2(a)中的c/(2a+b)來表示。圖4中可看出，當c/(2a+b)取0.6時，能獲得最小轉矩波動。

2.3永磁體厚度

永磁體的厚度對電機運行性能的影響也很大。最佳永磁體厚度的選取可以得到最大轉矩傳輸能力。圖5展示了永磁體厚度對輸出轉矩的影響。從圖中可以看出，當永磁體厚度設計為3.8mm時，能得到最大轉矩。

3Halbach永磁輪轂電機性能分析

在分析電機性能過程中，將Halbach永磁輪轂電機與徑向充磁的永磁輪轂電機（如圖2(b)所示）一起對比分析，兩電機各個部分尺寸一模一樣，唯一的不同就是永磁體的充磁方向。采用有限元軟件對電機建模，并對其性能進行分析。圖6(a) 和 (b)展示了兩電機在初始位置時的空載磁場分布圖。可以看出，(a)中定子齒上的磁力線比(b)中要密集許多，而(a)中外轉子軛部磁力線比(b)中要稀疏很多。這也正體現出Halbach陣列的自屏蔽效應，即能使磁體一邊磁場顯著曾強，而是另一邊磁場顯著減弱。因此，Halbach永磁輪轂電機與徑向永磁輪轂電機相比，可以提供更高的氣隙磁密和更少的轉子軛部磁密，進而可以減少鐵芯損耗，提高電機效率。此外，通過減小轉子軛部的厚度，可以減小Halbach永磁輪轂電機的體積和重量，這也有利于減小電動汽車驅動系統的非簧載質量，提高輪轂驅動電機轉矩密度。endprint

圖7展示的是電機在轉速為800 rpm 時的空載反電勢波形圖，從圖中可以看出，空載反電勢波形為正弦波，Halbach永磁輪轂電機的反電勢波形幅值比徑向充磁方式電機的高了17.57%。圖8展示的一定負載下的電機轉矩波形圖，從圖中可以得出，Halbach充磁方式比徑向充磁方式的永磁輪轂電機的轉矩高了16.13%。相同質量或體積下，驅動電機的轉矩密度自然得到了提高。

（下轉第175頁）

（上接第173頁）

4總結

本文提出的Halbach永磁輪轂電機用于電動汽車，可以提供低速大轉矩的運行方式。與徑向永磁輪轂電機相比，它可以減小鐵芯損耗、電機體積，并能獲得更高的轉矩和電機效率。基于有限元分析法，分析了該電機的磁密、空載反電勢以及轉矩等性能。結果顯示該電機特別適用于電動汽車的直驅系統。

參考文獻：

[1]黃蘇融.現代盤式車輪電機設計技術[J].電機技術，2005(03) :3-7,

[2]王利利.磁場調制型永性齒輪與低速電機的研究[D].浙江：浙江大學,2012．

[3]Halbach K．Permanent magnets for production and use of high energy beams[C]．Proceedings of the 8th International Workshop on Rare-earth Permanent Magnets,1985:123-136．

[4]Chunhua Liu, Jin Zhong, and K. T. Chau, "A Novel Flux-Controllable Vernier Permanent-Magnet Machine," IEEE Trans. Magn., vol. 47, no. 10, pp: 4238-4241, October. 2011.

[5]Jiangui Li，K. T. Chau，J. Z. Jiang，Chunhua Liu，Wenlong Li．A new efficient permanent-magnet vernier machine for wind power generation[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2010,46(06):1475-1478．endprint