磁齒輪復合電機內轉子渦流損耗分析與設計

摘要：近年來，我國加大了對新能源領域的研發投入，其相關產業發展對低能耗大轉矩電機提出了更高的需求和要求。為得到低能耗大轉矩電機，磁齒輪復合式電機近年來以其優良的能耗控制和大轉矩優勢得到業界高度重視，并成為電機研發領域的熱點。基于此，系統研究了磁齒輪復合電機的具體設計，分別對電機內轉子渦流損耗進行了深入分析，并針對降低渦流損耗目標對磁齒輪復合電機的內轉子設計進行了探討。

關鍵詞：磁齒輪復合電機；內轉子；渦流損耗；設計

中圖分類號：U462 收稿日期：2023-06-16

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.005

1 前言

磁齒輪復合電機擁有非常良好的轉矩優勢，加之其在能耗控制方面的優勢，使得該電機獲得業內高度關注，尤其是近年來新能源產業迅速發展的背景下，磁齒輪復合電機獲得了更大發展空間。對于磁齒輪復合電機的研發來說，內轉子渦流損耗問題是一項關系到該電機應用前景的最主要指標，也是實際研發中需投入較大精力予以解決的關鍵技術課題。通過內轉子設計有效解決渦流損耗，提升磁齒輪復合電機的整體性能和效能，這是研發工作最重要的突破點之一。

2 磁齒輪復合電機渦流損耗問題概述

目前，磁齒輪復合電機大量用于電動汽車以及風力發電等產業領域，并對這些產業領域的發展產生較大影響，之所以磁齒輪復合電機能夠得到應用，主要是因為其在能耗和轉矩方面的優勢[1]。在電機轉矩性能沒有受損的情況下，能耗能夠得到嚴格控制，具備低速和大轉矩的工作特點，這也是很多針對磁齒輪復合電機研究所關注的地方。磁齒輪復合電機損耗問題如果能夠得到進一步降低，其應用空間將會更加寬廣。業界對降低損耗的相關研究主要側重在對內外轉子永磁體結構進行改變以優化電機轉矩，但磁齒輪復合電機永磁體渦流損耗也是造成大量能耗的一個重要方面，需要得到研究者應有的關注。

對于渦流損耗形成的原因，主要是由于磁齒輪復合式電機結構中加入大量稀土材料制造永磁體，高速運行時永磁體內部會形成很大的渦流損耗，這些損耗大多是以熱量方式向電機內部擴散。考慮到復合電機本身復雜緊湊的結構特點，同時還有多層氣隙的影響，造成電機工作狀態下難以有效散熱，此時，磁齒輪復合電機內轉子中的永磁體會在短時間內發生溫度劇升的問題，進而引發永磁體出現不可逆退磁等一系列問題，造成電機整體性能的嚴重下降，甚至發生損壞[2]。基于此，研究更有效控制磁齒輪復合電機渦輪損耗的設計，對整個電機的工作狀態和使用壽命都有顯著幫助。

3 磁齒輪復合電機渦流損耗分析

磁齒輪復合電機正常工作狀態下需要永磁體保持高速運轉，電機永磁體內部不可避免會產生渦流并導致能量損耗，散發較大熱量，并造成電機性能的下降。分析此時電機內外層氣隙中的磁場，該磁場函數表達式為非正弦狀態，其中所包含的諧波中，有很多奇數倍的諧波存在。而就是因為這些次諧波的影響，永磁體內部才會出現大量渦流，并導致發生大量能量損耗[3]。對磁齒輪復合電機內外轉子中的永磁體獨立運轉和加裝調磁環后，其函數解析式為：

在加裝調磁環后，其函數解析式需要充分考慮復合電機內外轉子的角速度，由內外轉子角速度之間的關系來確定對應的諧波對數。可令ω1=-ω2p2/p1，并據此來求解諧波極對數以及內轉子的角速度。設電機調磁鐵塊數為26，可得復合電機內轉子永磁體的極對數為4，復合電機外轉子永磁體的極對數為22，此時內轉子和外轉子的角速度完全相同，其諧波次數依次為：p1-133=66，p1-155=110，p1-177=154。根據相似過程，可以求得如下諧波次數：p2-133=12，p2-155=20，p2-177=28，p2-199=36等。需要注意的是，復合電機內外轉子的空間諧波轉速與內轉子角速度完全一致。這樣，電機旋轉角速度所形成的諧波同步，因此不會對永磁體形成切割作用，永磁體內也因此沒有渦流損耗[4]。

分析復合電機內外層氣隙磁場可以發現，其中存在一些旋轉角速度不同步的諧波，而這些諧波會按照其固定角速度對電機的永磁體進行切割，形成渦流損耗。磁齒輪電機中的稀土永磁材料所形成的渦流損耗相比普通永磁體材料，其損耗會更大，這也是必須重視磁齒輪復合電機渦流損耗的主要原因之一。

基于上文的分析，不難看出，外轉子永磁體內部形成渦流損耗的次諧波極對數依次為12、20、28、36等，這些次諧波極對數需要滿足4的奇數倍特點，復合電機內轉子永磁體內部渦流損耗諧波極對數是22的奇數倍次，即22、44、66等諧波。對比磁齒輪復合電機內外轉子永磁體渦流損耗的具體分布情況，分析可知：磁齒輪復合電機的渦輪損耗以內轉子永磁渦流損耗為主。基于這一結論，為有效降低渦流損耗，在加裝導磁環時需要對內轉子磁路進行調整，確保內轉子永磁體內部的磁路從原來的耦合結構調整為非耦結構，這樣就能夠有效降低內轉子永磁體內部渦流，進而使得渦流損耗大幅度降低。

需要重點考慮的是，加裝導磁環會一定程度造成磁齒輪復合電機的轉矩有所下降，轉矩性能受到一定影響。為獲得最優方案，需要在實際設計中綜合考量各種影響因素和性價比，以及平衡性能得失，最終形成更為有效的轉矩性能與損耗綜合性比的設計方案。一個比較有效的設計方案就是采用各異調制比配合磁齒輪復合電機內轉子永磁體的結構設計，實現磁路耦合和非耦合的處理效果。基于理論分析以及仿真研究方式可獲得最佳電機性能，但電機轉矩性能與渦流損耗問題相互矛盾，兩個優勢很難同時兼備。針對不同調制比樣機的測試表明，磁齒輪復合電機永磁體采取耦合磁路調制比較低的設計，則該樣機的轉矩會更大，且轉矩脈動也會更低，而對于非耦合磁路的磁齒輪復合電機而言，則能夠更加有效地控制永磁體的渦流，降低其渦流損耗。通過實際檢測，如果將調制比確定為7.33的樣機在綜合性能方面有更好的表現[5]。

4 以降低渦流損耗為目標的內轉子設計

磁齒輪復合電機發生渦流損耗問題，大部分損耗都發生在永磁體的內轉子上，但考慮到電機內轉子磁路調整無法有效兼顧到電機轉矩性能，會導致轉矩密度下降。基于此，要完成降低渦流損耗的內轉子設計，需要的前提條件是確保電機輸出轉矩不變，這樣才是真正實現控制渦流損耗，而不是以犧牲轉矩性能為代價。

4.1 磁齒輪復合電機內轉子結構設計

本設計在內轉子永磁體采用聚磁型內嵌式結構設計，如圖1所示，相比傳統的內轉子表貼式結構，在轉矩平衡方面有更好的表現。

該內轉子結構屬于一種新型創新性聚磁內嵌式串聯永磁結構，選擇該結構主要是考慮到磁齒輪復合電機屬于內置式電機，能夠更有效地平衡磁齒輪結構與轉矩的關系。

4.2 磁齒輪電機的轉矩平衡設計

磁齒輪復合電機的渦流損耗大部分發生在電機內轉子的永磁體上，雖然電機的外轉子永磁體也存在渦流損耗，但相比內轉子損耗要小得多。研究已經證明，電機采用內嵌式結構，其渦流損耗會比表貼式結構小得多，在實際設計中，還同時采用了永磁體分段的技術處理方式，這種設計可進一步減少渦流損耗。在本磁齒輪復合電機內轉子設計中，直接采用永磁體分段，同時還選擇內嵌式結構，原有表貼式結構內轉子的永磁結構主要選用磁路耦合與非耦合結構相結合的方式，這樣的設計能夠更加有效控制電機永磁體內部的渦流損耗。

對于內置式電機來說，其電機的主要結構包括兩個部分，即定子繞組和內轉子，內轉子由磁齒輪組成。在電機工作狀態下，電機的磁齒輪會與永磁電機整合形成磁齒輪復合電機，此時，內轉子作為磁齒輪與永磁電機耦合作用的介質，這是考慮到電機內轉子的永磁體所形成的磁場會與定子繞組磁場發生互動，產生所需的轉矩。磁齒輪復合電機的轉矩可分解為兩個分量：a.磁齒輪轉矩，來自電機的內轉子和外轉子永磁體之間形成的磁傳動作用；b.電磁轉矩，來自定子繞組磁場和磁齒輪內轉子永磁體磁場耦合作用。

本內轉子設計采用內嵌式結構，主要是考慮到其替代表貼式結構內轉子的永磁體形成磁場能夠和定子繞組以及磁齒輪電機同時共用。進而整個電機渦流損耗會有顯著下降，內轉子還可以有效地平衡電機的定子繞組形成的電磁轉矩以及內轉子永磁體產生的永磁轉矩。實際設計中，內轉子結構為串聯結構設計，定子負載系數是一個重要的指標，用于對永磁電機與磁齒輪電機轉矩平衡進行估測。

4.3 內轉子結構參數的優化

電機內轉子轉矩的形成方式在磁齒輪復合電機和普通永磁電機上基本一致，其產生的機理是內轉子永磁體形成基本磁場并與定子繞組磁場形成相互作用，進而產生轉矩。如果外轉子永磁體極對數個數確定，電機內轉子永磁體極對數選擇不同的數量對應的調制比會完全不同。充分考慮平衡的設計，需要將電機內轉子電磁轉矩放大到電機的外轉子上，進而使得電機轉矩密度能夠顯著增加。從另一個角度分析，電機內轉子向外轉子傳導放大倍數決定著滿足設計要求所需的電磁轉矩，在該轉矩下可以通過調制處理使得低速轉子可以實現的轉矩。

如果外轉子內的永磁體極對數P2=27，此時電機內轉子永磁體極對數P1可以影響到調制比數值。加設調制環的電機貼式永磁體要滿足輸出轉矩取得最大值，需要將調制比以及磁齒輪復合電機的繞組系數統一進行考慮。還有一點需要注意的是，永磁電機需要確定合理的槽極配比，這會直接影響到電機中反電動勢波動情況，對齒槽轉矩也會形成影響，也是電機性能的直接影響因素。內嵌式電機可以對轉矩性能進行優化，同時還可以很大限度上降低反電動勢容易發生的波形失真等一系列問題。

通過反復嘗試論證，對于磁齒輪復合電機內轉子的設計，需要重點把握幾個方面：a.針對外轉子極對數P2相同的情況，需要明確8/18所對應的更高調制比，因此這種配對方式能夠輸出更高轉矩，可以滿足電機高轉矩的要求。b.磁齒輪復合電機的定子槽數比較高的情況下，會使磁齒輪復合電機齒槽轉矩被限制在較低水平，所以在設計中需要兼顧兩方面影響因素，取得比較滿意的效果。c.磁齒輪復合電機定子槽數較高時，會直接影響反電動勢，造成反電動勢的峰值處于更高的水平，同時反電動勢的波形畸變率也比較小。

總結上述分析，要實現轉矩和渦流損耗控制的最優化設計要求，需要充分考慮磁齒輪復合電機的內轉子定子槽數，以及外轉子永磁體的極對數，這兩個參數對于整個電機的性能有著決定性的影響。經過反復論證和大量試驗驗證，最終設計方案主要包括以下幾個關鍵方面：a.內轉子永磁體極對數選擇P1=4，而外轉子永磁體極對數選擇P2=27。b.磁齒輪復合電機內轉子設計采用18個定子槽比較適合，該設計能夠有效優化波形失真問題，并影響反電動勢波形狀態，使得波形更近似于矩形。

5 結語

磁齒輪復合電機主要針對低轉速大轉矩動力需求，為達到這一目標，需要采用大量稀土材料制作永磁體，因此會導致內轉子渦流增大并造成嚴重的渦流損耗。渦流損耗產生熱量短時間不能散去會導致永磁體失磁，造成電機整體性能的下降。基于此，通過分析內轉子渦流損耗的具體情況，明確要解決轉矩和渦流能耗矛盾，需要根據實際情況對電機關鍵結構和單元進行設計，進而較為深入地探究了磁齒輪復合電機內轉子的設計思路。

參考文獻：

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[5]井立兵，羅正豪.削弱模塊化永磁電機齒槽轉矩的新方法[J].電氣工程學報，2022（22）：15-19.

作者簡介：

徐英振，男，1976年生，高級工程師，研究方向為稀土永磁特種電機。