磁齒輪在電動(dòng)汽車中的運(yùn)用研究

井立兵?++楊楠++李海軍++王歸新

摘要：針對(duì)磁齒輪的優(yōu)點(diǎn)及電動(dòng)汽車爬坡性能差的特點(diǎn)，本文對(duì)磁齒輪進(jìn)行正弦充磁，分析其氣隙磁場(chǎng)分布情況，制作樣機(jī)并驗(yàn)證傳動(dòng)比及傳動(dòng)效率；最后驗(yàn)證了使用磁齒輪的電動(dòng)汽車在爬坡性能上強(qiáng)于一般的電動(dòng)汽車。

關(guān)鍵詞：磁齒輪；轉(zhuǎn)矩密度；氣隙磁場(chǎng)；電動(dòng)汽車

【中圖分類號(hào)】U469.72

本論文研究目的是探索磁齒輪在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的研究人員還不多，但已有越來越多的人注意到磁齒輪的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外的研究一直在深入，比如英國(guó)人，從理論上分析了磁齒輪的原理及運(yùn)行規(guī)律，并且制作了一種新型磁齒輪樣機(jī)，試驗(yàn)表明新型磁齒輪有較大的轉(zhuǎn)矩密度，且傳遞效率也非常高。這對(duì)新能源汽車，特別是純電動(dòng)汽車來說，可以替代傳統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，特別是低速大轉(zhuǎn)矩場(chǎng)合，磁齒輪有更美好的應(yīng)用前景。

一、磁齒輪傳動(dòng)原理

從結(jié)構(gòu)上看，磁齒輪主要由3部分構(gòu)成：內(nèi)部是具有較少磁極的內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體（高速轉(zhuǎn)子），外部是具有較多磁極的外轉(zhuǎn)子永磁體（低速轉(zhuǎn)子），中間固定部分是由高導(dǎo)磁材料和非導(dǎo)磁材料交錯(cuò)組成的調(diào)磁鐵心塊（調(diào)磁環(huán)），起到調(diào)制內(nèi)、外轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的作用。由于該磁力齒輪的基本工作原理是依靠齒形定子（調(diào)磁環(huán)）對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制，故將其稱為磁場(chǎng)調(diào)制式磁力齒輪[2]。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 磁場(chǎng)調(diào)制式磁力齒輪結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 磁力線的分布

本文采用全局解析法計(jì)算具有兩層氣隙的磁齒輪傳動(dòng)裝置。電磁轉(zhuǎn)矩是電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換重要參數(shù)之一，準(zhǔn)確計(jì)算磁齒輪電磁轉(zhuǎn)矩是設(shè)計(jì)、分析磁齒輪性能的關(guān)鍵。根據(jù)麥克斯韋應(yīng)力張量法理論，電磁轉(zhuǎn)矩由切向力產(chǎn)生，如果沿半徑r的圓周積分，則電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：

（2）

式中Lef為電機(jī)氣隙軸向有效長(zhǎng)度；r為氣隙中的任意圓周半徑；Br， Bθ分別為半徑r處氣隙磁密的徑向和切向分量。對(duì)于選定的半徑，r為常數(shù)。

二、磁齒輪磁場(chǎng)計(jì)算實(shí)例

本文利用以上解析計(jì)算模型，對(duì)一臺(tái)同心式磁力齒輪樣機(jī)內(nèi)外兩層氣隙磁場(chǎng)和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算，

該同心式磁力齒輪磁力線的分布情況如圖2所示。

圖3和圖4分別為內(nèi)外兩層氣隙徑向磁密和切向磁密解析計(jì)算結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果的比較。

（a） 徑向部分 （b） 切向部分

圖3 內(nèi)層氣隙中間磁通密度（r=70.5mm）

（a） 徑向部分 （b） 切向部分

圖4 外層氣隙中間磁通密度（r=86.5mm）

從圖中可看到全局解析法計(jì)算徑向和切向磁密相對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果在波形上十分吻合。

從樣機(jī)帶載試驗(yàn)結(jié)果知，同心式磁力齒輪傳動(dòng)裝置傳遞效率受負(fù)載大小影響很大，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于60N m時(shí)，其傳遞效率在90%以上。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到74N m時(shí)，樣機(jī)的有效長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩密度達(dá)到57.18kN m/m3。

三、結(jié)論

本文采用了二維全局解析法計(jì)算同心式磁力齒輪磁場(chǎng)分布及電磁轉(zhuǎn)矩。通過實(shí)例模型計(jì)算了其空載內(nèi)外兩層氣隙磁場(chǎng)和電磁轉(zhuǎn)矩，其計(jì)算波形與有限元法計(jì)算波形相當(dāng)一致。而新型磁力齒輪傳動(dòng)裝置的最大優(yōu)點(diǎn)就是適用于低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩場(chǎng)合，將同心式磁齒輪傳動(dòng)裝置應(yīng)用到電動(dòng)汽車中，電動(dòng)汽車的性能可以得到很大的提升，也更有利于推動(dòng)電動(dòng)汽車的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]P. O. Rasmussen， T. O. Andersen， F. T. Jorgensen. Development of a high performance magnetic gear[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2005， 41（3）： 764-770.

[2]K. Atallah， D， Howe. A novel high performance magnetic gear[J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2001， 37（4）： 2844-2846.endprint