蔣建文,張承寧,武小花,王志福

(北京理工大學(xué),北京100081)

0 引 言

由于日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題,汽車向著低油耗、低排放的方向發(fā)展,作為理想零排放或低排放的新能源車輛,純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車已引起全世界的高度關(guān)注。然而,目前純電動(dòng)汽車受行駛里程的限制,暫時(shí)難以普及;燃料電池汽車具有高效率、清潔等優(yōu)點(diǎn),但技術(shù)還不成熟、制造成本高,在一段時(shí)期內(nèi)還難以產(chǎn)業(yè)化;混合動(dòng)力汽車作為一種過渡形式在近期被看好。

電機(jī)作為電動(dòng)車輛上的關(guān)鍵部件,其特性要求如下:大扭矩、調(diào)速范圍寬、能量功率高、轉(zhuǎn)矩密度大、瞬間電流大、重量輕、體積小。目前應(yīng)用的有直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。這些都是單轉(zhuǎn)子單定子電機(jī),雙轉(zhuǎn)子、雙定子電機(jī)因其有較大的轉(zhuǎn)矩和較好的調(diào)速特性受到國(guó)內(nèi)外的廣泛研究,本文著重介紹幾種雙轉(zhuǎn)子、雙定子電機(jī),說明其結(jié)構(gòu)、工作原理及特點(diǎn)。

按磁場(chǎng)的方向不同,電機(jī)可分為徑向磁場(chǎng)電機(jī)、軸向磁場(chǎng)電機(jī)和橫向磁場(chǎng)電機(jī)。

1 徑向磁場(chǎng)電機(jī)

普通圓柱式電機(jī)的氣隙是圓桶形,氣隙磁場(chǎng)方向垂直于圓桶切線方向與電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子截面徑向方向平行,因此稱之為徑向磁場(chǎng)電機(jī)。根據(jù)定轉(zhuǎn)子布置方式不同,分雙機(jī)械端口雙轉(zhuǎn)子電機(jī)、單機(jī)械端口雙轉(zhuǎn)子電機(jī)、同心式雙定子電機(jī)、并列式雙定子電機(jī)。

圖1 雙機(jī)械端口雙轉(zhuǎn)子電機(jī)橫截面

圖2 雙機(jī)械端口雙轉(zhuǎn)子電機(jī)軸面

1.1 雙機(jī)械端口雙轉(zhuǎn)子電機(jī)

1.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖1是電機(jī)的橫截面,圖2是軸截面,輸入軸、內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心、內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁磁鋼、外轉(zhuǎn)子鐵心和外轉(zhuǎn)子內(nèi)繞組組成內(nèi)電機(jī);定子繞組、定子鐵心、外轉(zhuǎn)子鐵心和外轉(zhuǎn)子外繞組組成外電機(jī);由里到外依次是輸入軸、內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心、內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁磁鋼、外轉(zhuǎn)子鐵心、外轉(zhuǎn)子內(nèi)繞組、外轉(zhuǎn)子外繞組、定子鐵心、定子繞組、機(jī)殼,內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心固定在輸入軸上。定子鐵心固定在機(jī)殼上,外轉(zhuǎn)子鐵心與輸出軸剛性連接,外轉(zhuǎn)子內(nèi)繞組和外轉(zhuǎn)子外繞組連接形成回路,定子繞組與逆變器連接。

1.1.2 工作原理

該電機(jī)可以看作是由一個(gè)徑向式永磁磁路結(jié)構(gòu)的內(nèi)電機(jī)與一個(gè)勵(lì)磁磁路結(jié)構(gòu)的外電機(jī)組成,內(nèi)轉(zhuǎn)子和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連,曲軸帶動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子上的永磁體旋轉(zhuǎn),在氣隙空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),外轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流,產(chǎn)生電磁力驅(qū)使外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),同時(shí)外轉(zhuǎn)子在定子勵(lì)磁繞組作用下也產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,兩個(gè)轉(zhuǎn)矩疊加共同輸出。

1.1.3 電機(jī)特點(diǎn)

由于發(fā)動(dòng)機(jī)與車輪之間沒有直接的機(jī)械連接,可以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)在高效點(diǎn)工作,當(dāng)負(fù)載變化時(shí),只需調(diào)整定子磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩,電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)至車輪的無級(jí)變速(EVT)傳動(dòng),因而整車油耗少、效率高。目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)了這種電機(jī)應(yīng)用于SUV混合動(dòng)力汽車上,內(nèi)電機(jī)最大功率為38 kW,最大轉(zhuǎn)矩為150 N·m,外電機(jī)最大功率為68 kW,最大轉(zhuǎn)矩為430 N·m,最高轉(zhuǎn)速為4 500 r/min。

但雙機(jī)械端口雙轉(zhuǎn)子電機(jī)因具有兩個(gè)機(jī)械端口和兩個(gè)電端口,能量的變換與傳遞很復(fù)雜,目前還沒有該類電機(jī)比較完整的數(shù)學(xué)模型。

1.2 單機(jī)械端口雙轉(zhuǎn)子電機(jī)

1.2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖3為其橫截面,圖4為三維模型圖,外轉(zhuǎn)子磁體緊貼在外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛內(nèi)表面,內(nèi)轉(zhuǎn)子磁體緊貼在內(nèi)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛外表面,內(nèi)外轉(zhuǎn)子共用一個(gè)定子。定子由鐵心和繞組組成,鐵心內(nèi)、外表面有均勻分布的齒槽,繞組由背靠背線圈組成。外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛、外轉(zhuǎn)子磁體組成外轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)軸、內(nèi)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛及內(nèi)轉(zhuǎn)子磁體組成內(nèi)轉(zhuǎn)子。內(nèi)外轉(zhuǎn)子通過端部圓盤連在一起并與軸承、支撐在靜止座和垂直靜止端蓋上。定子固定在垂直靜止端蓋上。外轉(zhuǎn)子與定子形成電機(jī)的外氣隙,內(nèi)轉(zhuǎn)子與定子形成電機(jī)的內(nèi)氣隙。

1.2.2 工作原理

電機(jī)基于永磁體Halbach陣列排布運(yùn)行,Halbach陣列是一種新型永磁體排列方式,可使陣列一邊的磁場(chǎng)顯著增強(qiáng)而另一邊顯著減弱,且很容易在空間得到較理想正弦分布的磁場(chǎng)。該電機(jī)可以看作是一臺(tái)內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)和一臺(tái)外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)串聯(lián)而成,定子繞組外槽導(dǎo)體為外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的定子繞組,內(nèi)槽導(dǎo)體為內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)的定子繞組,外轉(zhuǎn)子磁體在外轉(zhuǎn)子繞組作用下產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與內(nèi)轉(zhuǎn)子磁體在內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組作用下產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩疊加共同輸出。

圖3 雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)橫截面

圖4 雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)三維圖

1.2.3 電機(jī)特點(diǎn)

由于內(nèi)外轉(zhuǎn)子磁體采用Halbach陣列排布,氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度大幅度提高,而轉(zhuǎn)子軛部磁場(chǎng)強(qiáng)度減低,這樣可以減小轉(zhuǎn)子軛部鐵心厚度,能有效減小電機(jī)體積,提高電機(jī)功率密度。同時(shí)由于磁場(chǎng)正弦分布程度較高,因此可以采用集中繞組。普通電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間有徑向磁拉力,而這種電機(jī)內(nèi)外磁拉力方向相反,兩者可以抵消一部分力,有利于電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此基于Halbach陣列的永磁電機(jī)比普通的永磁電機(jī)有更多的優(yōu)勢(shì),目前對(duì)該類電機(jī)的研究也比較多,山東大學(xué)設(shè)計(jì)了一臺(tái)額定功率2.2 kW、額定轉(zhuǎn)速1 200 r/min的雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)并申請(qǐng)了專利。

1.3 同心式雙定子電機(jī)

雙定子電機(jī)指具有兩個(gè)定子的電機(jī),兩個(gè)定子的有功電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩共同作用于轉(zhuǎn)子作機(jī)械功,此類電機(jī)具有響應(yīng)快、加速度大、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、過載能力高和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)靈活等優(yōu)點(diǎn),在空間有限的條件下,可以大大減小機(jī)械系統(tǒng)的體積與重量。

圖5 同心式雙定子電機(jī)結(jié)構(gòu)

同心式雙定子電機(jī)如圖5所示。主要由內(nèi)外定子、內(nèi)外永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)及轉(zhuǎn)軸等組成,轉(zhuǎn)子為空心杯結(jié)構(gòu),內(nèi)外永磁體分別粘貼在鐵心環(huán)內(nèi)外壁,呈Halbach陣列,內(nèi)外定子對(duì)應(yīng)繞組串聯(lián),組成內(nèi)外兩臺(tái)電機(jī),工作原理與雙轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)類似。由于內(nèi)外兩個(gè)定子放置導(dǎo)線,所以它能比普通單定子電機(jī)提供更大的線負(fù)荷。此類電機(jī)應(yīng)用在電動(dòng)車輛上可以在相同的體積下產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩,提高電機(jī)的材料和空間利用率。

1.4 并列式雙定子電機(jī)

并列式雙定子電機(jī)如圖6所示,電機(jī)軸向有兩個(gè)定子,其中一個(gè)與機(jī)座相連,固定不動(dòng),稱為主定子,另一個(gè)可以在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),稱為調(diào)速定子。兩個(gè)定子的三相接線對(duì)應(yīng)相并接引出,當(dāng)調(diào)速定子轉(zhuǎn)動(dòng)角度δ時(shí),兩個(gè)定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)將產(chǎn)生相應(yīng)的相位差,引起轉(zhuǎn)子導(dǎo)條合成感應(yīng)電勢(shì)隨δ改變,從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之改變,這樣通過改變調(diào)速定子的位置,達(dá)到平滑調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的,調(diào)速范圍寬,可在30%～98%之內(nèi)穩(wěn)定控制。此類電機(jī)具有良好的起動(dòng)和調(diào)速性能,在汽車領(lǐng)域比較適用,哈爾濱工業(yè)大學(xué)根據(jù)傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了這種雙定子永磁同步電機(jī),用于電動(dòng)汽車上。

圖6 并列式雙定子電機(jī)結(jié)構(gòu)

2 軸向磁場(chǎng)電機(jī)

傳統(tǒng)徑向磁通電機(jī)由于存在齒根部的瓶頸現(xiàn)象,電機(jī)冷卻困難和鐵心利用率低,勵(lì)磁繞組存在磁滯和渦流損耗等缺陷,使得軸向磁通電機(jī)的發(fā)展成為必然,軸向磁場(chǎng)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)方向垂直氣隙平面,與轉(zhuǎn)子軸向平行,因此稱為軸向磁場(chǎng)電機(jī),比較常見的是盤式永磁同步電機(jī)。它具有永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)具有盤式電機(jī)的軸向尺寸短、結(jié)構(gòu)緊湊,功率密度高等優(yōu)勢(shì),轉(zhuǎn)矩/重量大,適合低速大扭矩直接驅(qū)動(dòng)裝置。與徑向磁通電機(jī)比較如表1所示,可見在相同體積下,軸向磁場(chǎng)電機(jī)可比徑向磁場(chǎng)電機(jī)產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩和更高的功率密度。

表1 各電機(jī)性能比較

但盤式永磁電機(jī)電磁場(chǎng)分布較傳統(tǒng)的圓柱式電機(jī)復(fù)雜,需要進(jìn)行三維電磁場(chǎng)的有限元分析。

按照定轉(zhuǎn)子數(shù)量和相對(duì)位置不同,盤式永磁同步電機(jī)分單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、單定子雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、單轉(zhuǎn)子雙定子結(jié)構(gòu)及多盤式結(jié)構(gòu)。

2.1 單定子雙轉(zhuǎn)子盤式永磁同步電機(jī)

2.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

其結(jié)構(gòu)如圖7所示,圖8是其模型圖。

圖7 單定子雙轉(zhuǎn)子盤式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖8 單定子雙轉(zhuǎn)子盤式永磁同步電機(jī)模型

2.1.2 工作原理

雙轉(zhuǎn)子和單定子構(gòu)成雙氣隙,電樞無槽無鐵心,由繞組注塑而成,轉(zhuǎn)子由高性能永磁材料與鋼板粘接,N、S永磁磁極交替排列呈Halbach陣列,主磁路從一個(gè)極出發(fā),軸向穿過氣隙和與之相對(duì)的另一極,沿軸向穿過轉(zhuǎn)子軛,再穿過相鄰的磁極和軸向氣隙,最后沿轉(zhuǎn)子軛部閉合,磁路示意圖如圖9所示?？刂破鞲鶕?jù)位置傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào),觸發(fā)相應(yīng)的電子開關(guān)元件,給電樞供電,徑向通電導(dǎo)體在軸向磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生切向電磁力,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

2.1.3 電機(jī)特點(diǎn)

電機(jī)的定子鐵心及其繞組夾在永磁轉(zhuǎn)子中,采用雙面磁體結(jié)構(gòu),氣隙密度比單邊磁體密度結(jié)構(gòu)高10%左右,且可改善極面下磁場(chǎng)分布的均勻性,可以更充分地利用永磁材料,有利于提高電機(jī)性能,縮小體積,同時(shí)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)具有風(fēng)扇作用,有利于電機(jī)散熱。這類電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,在汽車空間有限的條件下應(yīng)用有很大的優(yōu)勢(shì)。

圖9 磁路示意圖

2.2 單轉(zhuǎn)子雙定子盤式永磁同步電機(jī)

電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子夾在兩個(gè)定子中間,結(jié)構(gòu)示意如圖10所示。電機(jī)定子采用開槽結(jié)構(gòu),永磁體安裝在轉(zhuǎn)子鐵心表面上,交替排列呈Halbach陣列,主磁通從一個(gè)極出發(fā),軸向穿過氣隙,經(jīng)過定子齒、軛部后進(jìn)入相鄰的氣隙和磁極,然后通過轉(zhuǎn)子體和相對(duì)的磁極,進(jìn)入另一側(cè)的氣隙,并沿定子的齒、軛經(jīng)過氣隙和磁極通過轉(zhuǎn)子體閉合,其磁路示意圖如圖11所示。工作原理與單定子雙轉(zhuǎn)子盤式永磁同步電機(jī)類似。轉(zhuǎn)子無鐵心,電機(jī)的功率/重量密度高,左右兩邊的定子結(jié)構(gòu)使得電機(jī)的散熱面積大。美國(guó)TIMKEN公司研發(fā)的KAMAN盤式永磁電機(jī)樣機(jī)已應(yīng)用于電動(dòng)車輛上。

圖10 單轉(zhuǎn)子雙定子盤式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖11 單轉(zhuǎn)子雙定子盤式永磁同步電機(jī)磁路

3 橫向磁場(chǎng)電機(jī)

在傳統(tǒng)電機(jī)結(jié)構(gòu)中,磁通通過的齒部和電樞繞組所在槽占同一截面,槽的寬度與齒部互相制約,如需流過較大的電流,則需較大的線圈截面,齒的寬度就會(huì)受到影響(飽和作用會(huì)使磁通減小);反之亦然。如果齒寬和槽寬同時(shí)增大,就會(huì)增大電機(jī)的半徑,使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度降低。因此,輸出轉(zhuǎn)矩難以根本提高,橫向磁通永磁電機(jī)由德國(guó)不倫瑞克理工大學(xué)HerbertWeh教授和他的合作者在1986年提出,在橫向磁通電機(jī)中,磁力線所在平面垂直于電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向,處于三維分布,圖12是其示意圖,Y軸與某個(gè)鐵心的中心線重合,電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向在XY平面,而磁通在C型鐵心中,即磁力線在ZY平面中。

定子由均勻分布的U形定子元件構(gòu)成,轉(zhuǎn)子由永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心均勻分布組成,相鄰的永磁體極性相反,使得轉(zhuǎn)子的磁通沿周向從S極指向N極。定子U型鐵的槽中嵌放線圈,當(dāng)線圈通電后,定子元件會(huì)產(chǎn)生軸向的磁場(chǎng),通過定子元件的一個(gè)齒部穿過轉(zhuǎn)子到達(dá)它的另一個(gè)齒部,形成回路,圖13是磁路示意圖。定子的兩個(gè)齒部可以看成兩個(gè)磁性不同的磁極。齒部的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子中永磁體的磁場(chǎng)相互作用,使轉(zhuǎn)子朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn),每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)極的距離后,相應(yīng)地改變線圈中電流的方向,這樣轉(zhuǎn)子可以連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),圖14是橫向磁通電機(jī)模型。

圖12 橫向磁通電機(jī)示意圖

圖13 橫向磁通永磁電機(jī)磁路

圖14 雙邊橫向磁通永磁電機(jī)模型

橫向磁通永磁電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩密度和功率密度都大,與其它電機(jī)力密度的對(duì)比如表2所示,可見它是常規(guī)電機(jī)的3～5倍,因?yàn)殡姍C(jī)中齒槽和電樞線圈在空間上相互垂直,磁路和電路分離,電流和磁負(fù)荷在空間上不存在競(jìng)爭(zhēng),因而定子和線圈的尺寸在一定范圍內(nèi)可以任意選取,它的功率密度較高,在低速時(shí)保持高效和大扭矩,適合電動(dòng)車輛的電力驅(qū)動(dòng)。丹麥阿爾伯格大學(xué)研制的橫向磁通永磁電動(dòng)機(jī)采用E形鐵心結(jié)構(gòu),在轉(zhuǎn)速相對(duì)較高的汽車上直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

表2 各種電機(jī)力密度對(duì)比

但橫向磁通永磁電機(jī)也存在問題,一是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工藝性差,不適于工業(yè)生產(chǎn);二是功率因數(shù)較低,最大才0.53,造成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)容量增大。

橫向磁通電機(jī)也具有雙定子結(jié)構(gòu),分為同心式和并列式。

3.1 橫向磁通同心式雙定子電機(jī)

結(jié)構(gòu)如圖15所示,電機(jī)有兩個(gè)定子,兩個(gè)氣隙可以產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩,結(jié)合橫向磁通的特點(diǎn),此類電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)車輛上可以獲得很好的輸出性能。

3.2 橫向磁通并列式雙定子電機(jī)

圖15 橫向磁通同心式雙定子電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖16 橫磁通并列式雙定子電機(jī)結(jié)構(gòu)

其結(jié)構(gòu)如圖16所示。并列式左右同軸結(jié)構(gòu),相當(dāng)于兩個(gè)C型定子結(jié)構(gòu)的橫磁通電機(jī)背靠背放置,這樣可以有效地利用轉(zhuǎn)子,并消除了轉(zhuǎn)子的單邊作用力引起的變形,1997年英國(guó)羅爾斯羅伊斯國(guó)際研究與發(fā)展公司設(shè)計(jì)了這種橫向磁通電機(jī),用于護(hù)衛(wèi)艦上。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述,雙轉(zhuǎn)子、雙定子電機(jī)在不同磁場(chǎng)方向下,由于自身結(jié)構(gòu)不同使電機(jī)呈現(xiàn)不同的特點(diǎn),徑向磁通雙機(jī)械端口雙轉(zhuǎn)子電機(jī)可以對(duì)轉(zhuǎn)速自由控制形成無級(jí)變速(EVT),徑向磁通雙轉(zhuǎn)子、雙定子永磁電機(jī)由于永磁體的Halbach陣列排布,氣隙磁場(chǎng)大幅度提高,增大了轉(zhuǎn)矩。但徑向磁場(chǎng)電機(jī)存在渦流損耗、體積大、效率低、散熱性差等缺陷,因此軸向磁場(chǎng)電機(jī)得到了發(fā)展,盤式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,可以比徑向磁場(chǎng)電機(jī)產(chǎn)生更高的功率密度和更大的轉(zhuǎn)矩。不過徑向磁場(chǎng)和軸向磁場(chǎng)電機(jī)都存在齒槽競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系,限制了電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度的根本性提高,因此提出了橫向磁通電機(jī),其電路與磁路分開,從根本上提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率密度,并且具有很高的效率,適合電動(dòng)車輛的低速大扭矩場(chǎng)電力驅(qū)動(dòng)要求,因此,橫向磁通電機(jī)今后在電動(dòng)車輛上的應(yīng)用將會(huì)得到更大的發(fā)展。

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