電動車用Halbach永磁輪轂電機的分析設(shè)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(tǒng)徑向充磁方式相比，它能減小轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計，結(jié)果顯示該Halbach永磁輪轂電機適合于直驅(qū)電動車用。

關(guān)鍵詞:Halbach；永磁輪轂電機；有限元

0引言

能源與環(huán)境污染的日益嚴重，致使電動汽車成為了目前的重要發(fā)展趨勢。電機驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的重要組成部分，它的驅(qū)動方式分為集中電機驅(qū)動和輪轂電機驅(qū)動[1]，其中，輪轂電機驅(qū)動將動力、傳動和制動裝置都集整在輪轂內(nèi)，略去許多笨重的機械部件，精簡了車輛的結(jié)構(gòu)，成為電動汽車驅(qū)動方式的重要發(fā)展方向。但是，采用輪轂電機驅(qū)動方式，必然會增加車輛的非簧載質(zhì)量，進而會使車輛行駛的平穩(wěn)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(zhuǎn)矩密度輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)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(diào)制原理[2]，采用低速外轉(zhuǎn)子型結(jié)構(gòu)，使得電機結(jié)構(gòu)簡單、無減速機構(gòu)及齒輪的磨損問題，再利用Halbach陣列的自屏蔽效應(yīng)[3]，提高了輪轂驅(qū)動電機的運行效率與轉(zhuǎn)矩密度。

1Halbach永磁輪轂電機結(jié)構(gòu)

本文提出的電動車用Halbach永磁輪轂電機結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖中可以看出，該電機外轉(zhuǎn)子與定子之間只有一層氣隙，電機的外轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)設(shè)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(diào)制原理，直接利用定子齒的端部來調(diào)制定子電樞繞組產(chǎn)生的高速旋轉(zhuǎn)磁場和外轉(zhuǎn)子上永磁體產(chǎn)生的低速旋轉(zhuǎn)磁場。與磁齒輪或其他磁場調(diào)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(shù)，pr是外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)，ps是定子電樞繞組極對數(shù)。相應(yīng)的，電機的變速比Gr為：

（2）

其中m=1,3...,k=0,+1,+2...

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

2Halbach永磁輪轂電機設(shè)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(guī)律組合而成。每極永磁塊的個數(shù)不同，halbach陣列形式也就不同。每極永磁塊的個數(shù)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(zhuǎn)矩。然而，每極永磁的塊數(shù)越多，加工維護費用也越高。此外，不同的每極永磁體塊數(shù)和磁化方向也會帶來不同的磁場密度。

基于上述因數(shù)，將該Halbach永磁輪轂電機的每極永磁體塊數(shù)設(shè)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(shè)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(guān)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(zhuǎn)矩比較大；b/2a在0.48 到 0.55的范圍內(nèi)，電機轉(zhuǎn)矩變化幅度比較小，且當b/2a 為 0.54時，可以得到最大轉(zhuǎn)矩。考慮到永磁塊寬度過小后容易發(fā)生退磁，最終將Halbach 陣列充磁角度θ和寬度比b/2a分別設(shè)計為45°和0.48 。

2.2永磁體寬度

導(dǎo)致車輛動力系統(tǒng)振動和車輛內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩波動的一個重要參數(shù)。圖4展示了電機轉(zhuǎn)矩波動隨永磁體（磁化方向已優(yōu)化）的寬度的變化關(guān)系。其中，X軸代表每極轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩傳輸能力。圖5展示了永磁體厚度對輸出轉(zhuǎn)矩的影響。從圖中可以看出，當永磁體厚度設(shè)計為3.8mm時，能得到最大轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子軛部磁力線比(b)中要稀疏很多。這也正體現(xiàn)出Halbach陣列的自屏蔽效應(yīng)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)動系統(tǒng)的非簧載質(zhì)量，提高輪轂驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩密度。endprint

圖7展示的是電機在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩高了16.13%。相同質(zhì)量或體積下，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩密度自然得到了提高。

（下轉(zhuǎn)第175頁）

（上接第173頁）

4總結(jié)

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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩等性能。結(jié)果顯示該電機特別適用于電動汽車的直驅(qū)系統(tǒng)。

參考文獻：

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

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