新型定子永磁型軸向磁場永磁電機設計

楊公德，李 捷，饒 飛

（福州大學 電氣工程與自動化學院，福州 350108）

隨著國際社會環保理念的不斷提升，傳統燃油船舶在行駛過程中所帶來的能耗和環境污染問題越來越受到廣泛關注，加快發展具備零污染排放特性的電動船舶受到了航運界的青睞[1-2]。《綠色生態船舶規范》明確了船舶動力系統電動化發展方向，目的是促進節能與減排的技術應用，倡導綠色造船和綠色航運[3]。目前，受岸基充電術和電動船舶艙室空間限制，電動船舶的續航里程較短，制約其在貨運和遠洋航運方面的應用。研發高功率密度、高效率驅動電機，拓展給定電池能量密度下電動船舶續航里程，已成為加快電動船舶發展步伐的關鍵技術手段。

《中國制造2025》重點領域技術路線要求的驅動電機功率密度指標遠高于現有感應電機和徑向永磁同步電機等驅動電機的功率密度，而定子永磁型軸向磁場永磁同步電機體積小、重量輕、效率和功率高，能節約電動船舶艙室空間以增加有效載荷比，已成為最具競爭力的新一代電動船舶驅動電機。近年來研究者提出多種定子永磁型軸向磁場永磁同步電機拓撲，文獻[4-6]提出了一種雙定子中間轉子結構的軸向磁場磁通切換型永磁電機，雙定子采用相同結構，均放置電樞繞組和永磁體，轉子上既無繞組也無永磁體，非常適合高速應用場合。文獻[7]提出了一種雙轉子中間定子結構的軸向磁場磁通切換型永磁電機，中間定子上放置電樞繞組和永磁體，雙轉子采用相同結構，均無繞組也無永磁體。但以上定子永磁型軸向磁場永磁電機存在電負荷和磁負荷間的空間沖突問題，限制了電機的轉矩密度提升。文獻[8-9]提出了一種雙定子中間轉子結構的分離定子軸向磁場永磁電機，兩個定子放置不同的勵磁源，一個定子上放置電樞繞組，另一個定子上放置永磁體。由于永磁體和電樞繞組位于不同的定子上，增加了電負荷和磁負荷設計自由度，提升了電機轉矩密度。但該電機結構不對稱，軸向磁拉力較大。

針對現有定子永磁型軸向磁場永磁電機存在問題，本研究提出一種電動船舶用新型定子永磁型軸向磁場永磁電機。分離定子結構，增加了電負荷和磁負荷設計自由度，提升了電機轉矩密度；軸向對稱結構，減小了軸向磁拉力；模塊化的電樞定子和轉子結構，易于加工制造。首先研究所提出電機拓撲的結構，然后基于三維有限元，研究所提出電機空載和負載工況下的電磁性能。

1 新型定子永磁型軸向磁場永磁電機拓撲

本文提出了一種12/10 新型定子永磁型軸向磁場永磁電機，拓撲結構如圖1 所示。該電機由1 個中間電樞定子、2 個相同永磁定子和2 個相同轉子組成，電樞定子和轉子均為凸極結構，永磁定子采用表貼式永磁結構。電樞定子采用H 橋鐵心，每個H 橋鐵心軛部嵌繞電樞線圈，每塊永磁體中心相鄰的2 個H 橋鐵心中心對齊，轉子由導磁塊和隔磁塊組成，結構簡單、堅固，可靠性高。新型定子永磁型軸向磁場永磁電機特點如下：①多定子/轉子軸向對稱結構，軸向空間利用率和轉矩/功率密度高；②電樞定子和永磁定子的分離結構，提高了電磁負荷設計自由度，進一步提升了電機轉矩/功率密度；③模塊化的定子/轉子結構，易于加工、制造。

圖1 新型定子永磁型軸向磁場永磁電機拓撲結構

2 定子永磁型軸向磁場永磁電機電磁性能

轉速為300 rpm 時，12/10 定子永磁型軸向磁場永磁電機的三相空載磁鏈波形如圖2 所示。由圖2 可知，所提出電機的三相磁鏈在空間接近正弦對稱分布，磁鏈基波幅值為0.169 Wb，3 次諧波分量幅值為0.000 8 Wb，5 次諧波分量幅值為0.001 5 Wb。經計算，該新型電機空載磁鏈諧波畸變率為1.58%。

圖2 定子永磁型軸向磁場永磁電機空載磁鏈

轉速為300 rpm 時，12/10 槽極組合定子永磁型軸向磁場永磁電機的三相空載反電動勢波形如圖3所示。所提出電機的三相空載反電動勢在空間接近正弦對稱分布，反電動勢基波幅值為52.71 V，3 次諧波分量幅值為0.874 V，5 次諧波分量幅值為2.33 V。經計算，該新型電機空載反電動勢諧波畸變率為7.66%。

圖3 定子永磁型軸向磁場永磁電機空載反電動勢

由于齒槽轉矩會引起電機振動和噪音，影響電機的穩定運行。采用三維有限元方法對所提出12/10 槽極組合定子永磁型軸向磁場永磁電機的齒槽轉矩進行研究，得到如圖4 所示的齒槽轉矩。該電機齒槽轉矩峰峰值為4.02 N·m，平均齒槽轉矩為0.85 N·m。

圖4 定子永磁型軸向磁場永磁電機齒槽轉矩

在額定電流作用下，12/10 槽極組合定子永磁型軸向磁場永磁電機的電磁轉矩與電流角的關系如圖5 所示。在電流角由-90°～90°，電機的平均電磁轉矩先增加后減小，電流角為0°時，電機平均電磁轉矩達到最大值。由此可見，定子永磁型軸向磁場永磁電機是一種隱極式永磁電機，其磁阻轉矩為零。通過采用（id）=0 控制，該電機可獲得最大轉矩輸出。

圖5 平均電磁轉矩隨電流角的變化規律

電流角為0°時，不同電流有效值對應的平均電磁轉矩如圖6 所示。由圖6 可見，定子永磁型軸向磁場永磁電機的平均電磁轉矩與電流有效值的比率幾乎恒定，僅在電流有效值較高時出現了微弱飽和。

圖6 平均電磁轉矩隨電流有效值的變化規律

定子永磁型軸向磁場永磁電機在負載工況下的電磁轉矩波形如圖7 所示，其電磁轉矩峰峰值為3.88 N·m，平均電磁轉矩為18.17 N·m。

圖7 定子永磁型軸向磁場永磁電機電磁轉矩

電磁轉矩脈動定義式為

式中：Tmax為電磁轉矩最大值；Tmin為電磁轉矩最小值；Tavg為平均電磁轉矩。

基于圖7，按照上式計算得到的定子永磁型軸向磁場永磁電機的轉矩脈動為21.38%。

3 結束語

本文以定子永磁型軸向磁場永磁同步電機作為研究對象，分別針對電磁負荷設計自由度、拓撲結構對稱性、電機電樞定子和轉子模塊化等多個方面進行優化，提出了一種新型定子永磁型軸向磁場永磁電機，為了驗證所提出電機設計的可靠性，以一臺槽極組合為12/20 結構的樣機作為對象，分析其在空載和負載工況下的電磁性能，根據三維有限元軟件仿真顯示，當電機處于空載工況下時，齒槽轉矩峰峰值為4.02 N·m，空載反電動勢經過傅立葉分解得到諧波畸變率為7.66%；當電機處于負載工況下時，電磁轉矩峰峰值為3.88 N·m，平均電磁轉矩達到18.17 N·m，轉矩脈動為21.38%。