轴向磁通永磁电机，适用于电动汽车
轴向磁通永磁（AFPM）电机因其高转矩密度和紧凑的结构等关键优势而备受关注。集中绕组是AFPM电机的常用设计，因为它可以显著缩短端部绕组的径向长度。本文提出了一种新型的双侧定子单转子电机拓扑结构，其中一个定子偏移π弧度。这种结构可以消除集中绕组产生的显著空间谐波，并降低铁芯损耗和永磁损耗。本文采用解析分析和有限元分析（FEA）验证了该原理并验证了该拓扑结构。仿真结果表明，与传统的双侧定子单转子电机相比，所提出的双侧偏移定子电机在基速下可以显著降低铁芯损耗和永磁损耗。此外，该双侧偏移定子电机的磁芯饱和度和感应电压也显著降低。
1. 引言
轴向磁通永磁电机（AFPM）因其高转矩密度、结构紧凑、噪声和振动性能优异等突出优势而备受关注[ 1 ]。轴向磁通永磁电机有多种拓扑结构。单定子单转子（SSSR）电机是最简单的结构。然而，转子和定子之间的高轴向力会导致结构上的难题[ 2 ]。双侧转子单定子电机（DRSS）将定子置于两个转子之间，有效缓解了这一问题。在这种情况下，可以采用无轭定子和分段式电枢结构[ 3,4 ]。还有一种拓扑结构称为双侧定子单转子（DSSR）电机，其中转子位于两个定子之间。先前的研究表明，磁通的主路径直接穿过转子[ 5 ]。因此，可以考虑使用铝或塑料等非磁性材料作为转子支撑结构，这样可以减轻重量并降低惯性。
提高效率仍然是电机性能的关键驱动因素，这不仅是因为节能，还因为其有利于热管理，从而提高功率密度。参考文献[ 6 ]提出了一种新型AFPM电机，该电机采用非导电复合材料制造转子和定子，并使用两个铁环进行磁通闭合。这样，由于铁环中的损耗仅来自低空间谐波磁通，因此整体损耗得以降低。Kowal等人[ 7 ]在定子中应用了取向硅材料，与传统电工钢相比，铁损降低了七倍。Rahman等人[8]在定子槽中添加了磁性楔块，从而降低了铁损并提高了最大功率。Marignetti等人[ 9 ]研究了软磁复合材料(SMC)的影响，与采用实心钢转子铁芯的电机相比，空载损耗降低了19%。Li等人[ 10 ]研究了采用SMC的电机，结果表明，与采用实心钢转子铁芯的电机相比，空载损耗降低了19%。 [ 10 ] 研究了 PM 倾斜、PM 细分和 SMC 材料对 PM 涡流损耗的影响。
Eastham等人[ 11,12 ]提出了一种新颖的概念，即在双侧定子系统中偏移其中一个定子，以抵消集中绕组产生的一个主要谐波。谐波抵消的解析分析见[ 13 ]。通过这种抵消，定子铁芯中的磁通密度降低，这是一种在保持相同功率额定值的同时降低损耗的潜在有效方法。Kremer[ 14 ]也提到，如果两个定子的齿未对齐，则可以降低齿槽转矩并提高效率。
本文提出了一种通过采用偏置定子（DOSSR）来提高双面定子单转子电机（DSSR）性能的新方法。所提出的DOSSR电机设计能够消除集中绕组磁场中的某些显著空间谐波，从而降低铁芯损耗和永磁体损耗，优于传统的双面定子单转子电机。本文所考虑的设计采用了集中绕组，并将永磁体细分为多个部分以降低损耗[ 9 , 15 ]。
本文余下部分组织如下：第 2 节对磁动势谐波进行了分析，包括偏置定子的影响；第 3 节介绍了三维有限元分析模型，用于比较传统的双面定子单转子电机，并提出了一种基速为 900 rpm 的偏置定子电机；第 4 节总结了本文的主要结论。
2. 双侧偏置定子AFPM电机
2.1.电机拓扑结构
图 1所示为双面定子单转子 (DSSR) AFPM 电机的二维模型。该模型是通过切割电机，在铁芯平均直径处形成圆柱面，然后展开形成平面模型而得到的 [ 16 ]。本文中，该电机被称为传统的双面定子单转子 AFPM 电机，其中每个定子有九个槽，槽内绕组集中布置。表 1列出了九槽线圈的相序。这会产生方向相反的 8 极和 10 极主导磁场 [ 12 ]。如图 1所示，定子具有半封闭齿头。转子包含 10 个永磁体，并由非磁性支撑结构支撑。
图 1. 二维双面定子单转子 (DSSR) AFPM 电机。
表 1. 9 槽 8/10 极集中绕组连接。
本文提出了一种新型的双边偏置定子单转子（DOSSR）AFPM电机结构（如图2所示），该结构消除了8极磁场。可以看出，其中一个定子偏移了π弧度。这种谐波消除方法已应用于直线电机[ 13 ]。由于8极磁场的旋转方向与转子的旋转方向相反（转子的旋转方向与10极磁场的旋转方向一致），因此消除8极磁场可以显著降低永磁体和铁芯的损耗。
图 2. 提出的双面偏置定子单转子 (DOSSR) AFPM 电机的二维示意图。
2.2 分析分析
三相绕组的分布可以用正序、负序和零序分量来表示。通常情况下，当平衡电流输入绕组时，正序分量提供正向磁场，负序分量提供反向磁场，而零序分量则被消除[ 13 ]。本文假设存在平衡的三相电源，因此无需考虑零序分量。
2.2.1. 三相9槽绕组分配
导体分布傅里叶谐波展开如下，其中n、Np 、 p和φp分别为导体分布谐波、谐波幅值、谐波阶数和角位置 。
𝑛=𝑝=∞∑𝑝=1𝑁𝑝cos（𝑝𝜃+𝜑𝑝）
（1）
当p = 1, 4, 7…… 时，正序列分量可按如下方式推导。
𝑛𝑓𝑝=𝑁𝑝3[1+𝜀𝑗（−2𝜋𝑝3+2𝜋3）+𝜀𝑗（2𝜋𝑝3−2𝜋3）]
（2）
当p = 2, 5, 8…… 时，负序列分量可由以下方程给出。
𝑛𝑏𝑝=𝑁𝑝3[1+𝜀𝑗（−2𝜋𝑝3−2𝜋3）+𝜀𝑗（2𝜋𝑝3+2𝜋3）]
（3）
使用绕组系数来表示每个谐波的振幅，该系数是通过振幅除以最大谐波振幅计算得出的。
𝑘𝑤𝑝=∣（2cos2𝜋𝑝9−1）s我n𝜋𝑝9∣
（4）
详细推导过程参见参考文献[ 13 ]。9槽集中绕组的绕组系数。可以看出，分别代表8极磁场和10极磁场的第4和第5分量幅值占主导地位。由于该电机设计为10极电机，定子绕组产生的10极磁场能够产生稳定的转矩，而8极磁场虽然对稳定转矩的产生没有贡献，但会引入显著的永磁体涡流损耗和磁芯损耗。
2.2.2. DOSSR AFPM 电机
底部定子和绕组偏移π弧度（图2）可以有效地抵消8极磁场。如图3a中的箭头所示，对于双面定子单转子电机，两个定子绕组的磁场波形相互增强。8极磁场向前传播，而10极磁场向后传播。通过引入π弧度的偏移并反转底部定子的电流方向，可以看出8极磁场被消除，而10极磁场保持不变，如图3b所示。列出了所提出的DOSSR AFPM电机的绕组系数，我们再次注意到，主导的4次谐波变为零，而主导的5次谐波保持不变。此外，2次谐波和8次谐波与4次谐波一起被消除。
图 3. 8 极和 10 极磁场。
3. 三维仿真及结果讨论
3.1 三维仿真模型
本文在Ansys Maxwell中建立了一个三维双面定子单转子轴向磁通电机模型。如图4所示，通过将底部定子旋转π弧度来模拟所提出的双面偏置定子单转子电机。轴向磁通电机的关键参数列于。磁芯采用M235-35A电工钢。模型中使用钕铁硼(NdFeB) N52永磁体。每个永磁体被细分为五个部分以降低涡流损耗[ 10 ]。
图 4. DSSR AFPM 电机的 3D 模型。
3.2 基础速度模拟
3.2.1. 相同尺寸的DSSR和DOSSR电机的比较
电机基准转速（恒转矩区结束和恒功率区开始）设计为 900 rpm，与参考文献 [ 17 ] 中描述的 YASA 电机相同。定子电流为 100 A rms。假设采用电流源逆变器提供三相纯正弦电流。图 5显示了仅由定子激励的三维有限元分析模型得到的气隙磁场谐波 FFT。通过将一个定子偏移 π 弧度，4 次谐波显著降低，而 5 次谐波几乎保持不变，这意味着 8 极磁场已被消除，而 10 极磁场几乎保持不变。这验证了第 2 节中的分析结果。对于 DOSSR 电机，10 极磁场的轻微降低是由于偏移导致两个定子齿的错位造成的。图 6显示了同时由定子激励和转子永磁体激励得到的磁场谐波 FFT。转子携带磁铁以产生 10 极磁场，这使得 DSSR 的 5 次谐波高于 4 次谐波，而 DOSSR 的 4 次谐波则被有效地消除。
图 5. DSSR 电机和 DOSSR 电机在仅定子激励下的气隙磁场谐波 FFT。
图 6. DSSR 电机和 DOSSR 电机（100 A rms，900 rpm）的定子激励和转子永磁体气隙磁场谐波 FFT。
图 7展示了 DSSR 电机和本文提出的 DOSSR 电机产生的最大扭矩，以作比较。仿真中，模型运行了两个电周期，本文重点展示了第二个周期的稳定运行情况。DSSR 电机的外径和轴向长度与 YASA P400 R [ 18 ] 接近。YASA P400 R 的峰值扭矩为 370 Nm，DSSR 的峰值扭矩为 343 Nm。因此，DSSR 电机的表面推力与 YASA P400 R 相当。DSSR 电机的平均扭矩为 343.0 Nm，扭矩波动为 5%。DOSSR 电机的平均扭矩为 308.7 Nm，扭矩波动为 6.2%。由于偏移后两个定子的齿未对准，DOSSR 电机的平均扭矩比 DSSR 电机低 10%。本仿真基于以下假设：DSSR 电机和 DOSSR 电机具有相同的尺寸和参数，以便进行直接比较。在实际设计中，由于 DOSSR 电机的齿轮和背铁中的磁场强度远低于 DSSR 电机，因此可以对 DOSSR 电机进行优化。
图 7. DSSR 电机和 DOSSR 电机的扭矩（100 A rms，900 rpm）。
图 8显示了 DSSR 和 DOSSR 电机的磁链分布。由于消除了 8 极磁场，永磁体和定子绕组感应的磁链峰值从 DSSR 的 0.60 Wb 降低到 DOSSR 的 0.42 Wb。因此，定子绕组中的感应电压预计也会降低。如图9所示，感应电压峰值从 DSSR 的 384.7 V 降低到 DOSSR 的 186.3 V，降低了 51.6%。
图 8. DSSR 电机和 DOSSR 电机的磁链（100 A rms，900 rpm）。
图 9. DSSR 电机和 DOSSR 电机的感应电压（100 A rms，900 rpm）。
图10展示了定子电流为100 A、转速为900 rpm时，DSSR和DOSSR电机同时的三维磁通密度分布。可以看出，由于偏置定子抵消了8极磁场，DOSSR的磁场强度相比DSSR有所降低。图11展示了一个电周期内铁芯和齿部的磁通密度幅值。模型中的观测点位于定子的铁芯和齿部。采用偏置定子设计后，铁芯的磁通密度峰值从1.70 T降低到1.44 T，齿部的磁通密度峰值从1.77 T降低到1.16 T。因此，如图12所示，由定子磁通密度引起的铁损显著降低。采用偏置定子设计后，功耗从 213.1 W 降低至 138.1 W（降低 35.2%）。此外，由于 8 极磁场相对于转子反向旋转，会产生相对运动，从而在永磁体中引入涡流。因此，抵消 8 极磁场可使永磁体涡流损耗降低 59.3%，从 DSSR 的 252.1 W 降低至 DOSSR 的 102.7 W，如图12所示。永磁体损耗的降低尤为重要，因为转子冷却难度大，控制转子温度是电机的一项特殊挑战。
图 10. DSSR 电机和 DOSSR 电机的磁通密度分布（100 A rms，900 rpm）。
图 11. DSSR 电机和 DOSSR 电机的磁通密度（100 A rms，900 rpm）。
图 12. DSSR 电机和 DOSSR 电机在基准转速（100 A rms，900 rpm）下峰值扭矩运行时的铁芯损耗和永磁体损耗比较。
3.2.2. DOSSR 电机重新设计
如上一节所述，DOSSR 电机与 DSSR 电机尺寸相同，但由于两个定子齿的错位，DOSSR 的扭矩比 DSSR 低 10%。因此，DOSSR 可以重新设计和优化，因为在磁芯饱和之前有足够的裕量，如图11b所示。一种简单的重新设计方法是将永磁体的厚度从 4.5 mm 增加到 5 mm，以使 DOSSR 电机达到与 DSSR 电机相同的扭矩。
图 13显示了永磁体厚度为 4.5 mm 的 DSSR 电机和永磁体厚度为 5 mm 的 DOSSR 电机的扭矩。DOSSR 电机的扭矩增加至 335 Nm，仅比 DSSR 电机低 2.3%。由于永磁体厚度的增加，最大磁链略有增加，从 0.42 T 增加到 0.43 T（如图 14所示），这导致 DOSSR 电机的感应电压从 186.3 V 增加到 187.6 V。然而，如图 15 所示，与 DSSR电机相比，DOSSR 电机的感应电压从 384.7 V 降低到 187.6 V 仍然非常显著。这意味着所提出的 DOSSR 电机可以使用更低的电池电压和直流母线电压来提供相同的功率。所提出的 DOSSR 电机的功率因数远高于 DSSR 电机。
图 13. PM 厚度为 4.5 mm 的 DSSR 电机和 PM 厚度为 5 mm 的 DOSSR 电机的扭矩。
图 14. PM 厚度为 4.5 mm 的 DSSR 电机和 PM 厚度为 5 mm 的 DOSSR 电机的磁链。
图 15. PM 厚度为 4.5 mm 的 DSSR 电机和 PM 厚度为 5 mm 的 DOSSR 电机的感应电压。
图 16显示了背铁和齿中的磁通密度。永磁体厚度为 5 mm 的 DOSSR 电机的磁通密度仍然显著低于永磁体厚度为 4.5 mm 的 DSSR 电机，这意味着 DOSSR 电机仍有进一步优化的空间。图 17展示了铁芯损耗和永磁体损耗的对比，其中，永磁体厚度为 5 mm 时，铁芯损耗从 DSSR 电机的 213.1 W 降低到 DOSSR 电机的 148.5 W，降低了 30.3%。永磁体损耗也从 DSSR 电机的 252.1 W 降低到 DOSSR 电机的 119.2 W，降低了 52.7%。
图 16. PM 厚度为 4.5 mm 的 DSSR 电机和 PM 厚度为 5 mm 的 DOSSR 电机的磁通密度。
图 17. PM 厚度为 4.5 mm 的 DSSR 电机和 PM 厚度为 5 mm 的 DOSSR 电机在基准转速 (100 A rms, 900 rpm) 下以峰值扭矩运行时的铁芯损耗和 PM 损耗比较。
3.3 讨论
总结了DSSR电机、DOSSR电机以及永磁体厚度为5 mm的DOSSR电机在900 rpm基准转速下的损耗和效率。所提出的DOSSR电机通过将其中一个定子旋转π弧度，在基准转速下降低了48.2%的铁芯损耗和永磁体损耗。通过重新设计DOSSR电机的永磁体厚度，补偿了转矩，因此，在保持与DSSR电机相近的输出功率的同时，实现了更高的效率。仿真结果表明，与传统的DSSR电机相比，所提出的偏置定子电机具有以下优势：首先，在相同额定功率下，感应电压显著降低。这意味着可以降低直流母线电压，从而降低电池电压。此外，如果将弱磁区推至更高的转速，则可以使同一电机运行在更高的功率下。其次，磁芯中的磁通密度大大降低，从而可以减少磁芯损耗。另一方面，增加永磁体的厚度可以提高尺寸相同的偏置定子电机的额定功率。第三，由于取消了8极磁场，永磁体的涡流损耗降低了一半以上。这降低了对转子冷却系统的需求，这是一个显著的优势。偏置定子电机的唯一缺点是，由于定子齿的错位，其转矩略低于尺寸相同的DDSR电机。然而，通过重新设计电机，优化绕组和永磁体，可以改善这一问题。
4. 结论
本文提出了一种新型双侧偏置定子单转子轴向磁通电机，该电机能够有效消除9槽集中绕组产生的8极磁场，且不影响10极磁场。通过解析分析和有限元仿真，将所提出的双侧偏置定子轴向磁通永磁电机与基准双侧偏置定子轴向磁通永磁电机进行了比较。结果表明，所提出的双侧偏置定子轴向磁通永磁电机具有显著更低的铁损和永磁损耗，并且可以在更低的电池电压下驱动。这种双侧偏置定子轴向磁通永磁电机具有作为高效直驱电动汽车电机的巨大潜力。本文将设计一款优化的双侧偏置定子轴向磁通永磁 ...
活动推荐1：
一、拟邀议题
序号 |
|
|
|
人形机器人轴向磁通关节电机与球形关节电机的研究与应用 |
|
|
具身智能机器人关节电机开发重点和难点剖析 |
|
|
关节电机的新技术探讨 |
|
|
机器人关节模组开发经验分享 |
|
|
微型线性执行方案的含金量 |
|
|
轴向磁通电机在机器人关节电机的应用进展和趋势 |
|
|
关于机器人关节系统研究的分享 |
|
|
探索人形机器人关节技术发展路径 |
|
|
谐波减速器等关节模组的设计与应用 |
|
|
通用机器人关键技术在汽车产业的应用和实践 |
|
|
具身智能机器人本体核心零部件的创制与应用 |
|
|
关节伺服驱动器在具身智能产业链中的位置及其发展方向 |
|
|
壮年机器人关节永磁电驱滑模观测技术应用 |
|
|
环面包络蜗轮蜗杆减速器赋能机人关节 |
|
|
圆桌会议：人形机器人关节电机的开发重点以及难点 |
议题征集中，创新演讲及赞助请联系张晚晚 13671990811（同微信）
二、拟邀企业类型：
三、报名方式
欢迎加入新能源汽车产业交流群
关注公众号后台回复关键词“社群”
即可获取入群方式