摘要：近年來，我國加大了對(duì)新能源領(lǐng)域的研發(fā)投入，其相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)低能耗大轉(zhuǎn)矩電機(jī)提出了更高的需求和要求。為得到低能耗大轉(zhuǎn)矩電機(jī)，磁齒輪復(fù)合式電機(jī)近年來以其優(yōu)良的能耗控制和大轉(zhuǎn)矩優(yōu)勢(shì)得到業(yè)界高度重視，并成為電機(jī)研發(fā)領(lǐng)域的熱點(diǎn)?；诖耍到y(tǒng)研究了磁齒輪復(fù)合電機(jī)的具體設(shè)計(jì)，分別對(duì)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子渦流損耗進(jìn)行了深入分析，并針對(duì)降低渦流損耗目標(biāo)對(duì)磁齒輪復(fù)合電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：磁齒輪復(fù)合電機(jī)；內(nèi)轉(zhuǎn)子；渦流損耗；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：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(fù)合電機(jī)擁有非常良好的轉(zhuǎn)矩優(yōu)勢(shì)，加之其在能耗控制方面的優(yōu)勢(shì)，使得該電機(jī)獲得業(yè)內(nèi)高度關(guān)注，尤其是近年來新能源產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的背景下，磁齒輪復(fù)合電機(jī)獲得了更大發(fā)展空間。對(duì)于磁齒輪復(fù)合電機(jī)的研發(fā)來說，內(nèi)轉(zhuǎn)子渦流損耗問題是一項(xiàng)關(guān)系到該電機(jī)應(yīng)用前景的最主要指標(biāo)，也是實(shí)際研發(fā)中需投入較大精力予以解決的關(guān)鍵技術(shù)課題。通過內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)有效解決渦流損耗，提升磁齒輪復(fù)合電機(jī)的整體性能和效能，這是研發(fā)工作最重要的突破點(diǎn)之一。

2 磁齒輪復(fù)合電機(jī)渦流損耗問題概述

目前，磁齒輪復(fù)合電機(jī)大量用于電動(dòng)汽車以及風(fēng)力發(fā)電等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，并對(duì)這些產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生較大影響，之所以磁齒輪復(fù)合電機(jī)能夠得到應(yīng)用，主要是因?yàn)槠湓谀芎暮娃D(zhuǎn)矩方面的優(yōu)勢(shì)[1]。在電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能沒有受損的情況下，能耗能夠得到嚴(yán)格控制，具備低速和大轉(zhuǎn)矩的工作特點(diǎn)，這也是很多針對(duì)磁齒輪復(fù)合電機(jī)研究所關(guān)注的地方。磁齒輪復(fù)合電機(jī)損耗問題如果能夠得到進(jìn)一步降低，其應(yīng)用空間將會(huì)更加寬廣。業(yè)界對(duì)降低損耗的相關(guān)研究主要側(cè)重在對(duì)內(nèi)外轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變以優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)矩，但磁齒輪復(fù)合電機(jī)永磁體渦流損耗也是造成大量能耗的一個(gè)重要方面，需要得到研究者應(yīng)有的關(guān)注。

對(duì)于渦流損耗形成的原因，主要是由于磁齒輪復(fù)合式電機(jī)結(jié)構(gòu)中加入大量稀土材料制造永磁體，高速運(yùn)行時(shí)永磁體內(nèi)部會(huì)形成很大的渦流損耗，這些損耗大多是以熱量方式向電機(jī)內(nèi)部擴(kuò)散。考慮到復(fù)合電機(jī)本身復(fù)雜緊湊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)還有多層氣隙的影響，造成電機(jī)工作狀態(tài)下難以有效散熱，此時(shí)，磁齒輪復(fù)合電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子中的永磁體會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生溫度劇升的問題，進(jìn)而引發(fā)永磁體出現(xiàn)不可逆退磁等一系列問題，造成電機(jī)整體性能的嚴(yán)重下降，甚至發(fā)生損壞[2]?；诖?，研究更有效控制磁齒輪復(fù)合電機(jī)渦輪損耗的設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)電機(jī)的工作狀態(tài)和使用壽命都有顯著幫助。

3 磁齒輪復(fù)合電機(jī)渦流損耗分析

磁齒輪復(fù)合電機(jī)正常工作狀態(tài)下需要永磁體保持高速運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)永磁體內(nèi)部不可避免會(huì)產(chǎn)生渦流并導(dǎo)致能量損耗，散發(fā)較大熱量，并造成電機(jī)性能的下降。分析此時(shí)電機(jī)內(nèi)外層氣隙中的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)函數(shù)表達(dá)式為非正弦狀態(tài)，其中所包含的諧波中，有很多奇數(shù)倍的諧波存在。而就是因?yàn)檫@些次諧波的影響，永磁體內(nèi)部才會(huì)出現(xiàn)大量渦流，并導(dǎo)致發(fā)生大量能量損耗[3]。對(duì)磁齒輪復(fù)合電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子中的永磁體獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)和加裝調(diào)磁環(huán)后，其函數(shù)解析式為：

在加裝調(diào)磁環(huán)后，其函數(shù)解析式需要充分考慮復(fù)合電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子的角速度，由內(nèi)外轉(zhuǎn)子角速度之間的關(guān)系來確定對(duì)應(yīng)的諧波對(duì)數(shù)。可令ω1=-ω2p2/p1，并據(jù)此來求解諧波極對(duì)數(shù)以及內(nèi)轉(zhuǎn)子的角速度。設(shè)電機(jī)調(diào)磁鐵塊數(shù)為26，可得復(fù)合電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體的極對(duì)數(shù)為4，復(fù)合電機(jī)外轉(zhuǎn)子永磁體的極對(duì)數(shù)為22，此時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的角速度完全相同，其諧波次數(shù)依次為：p1-133=66，p1-155=110，p1-177=154。根據(jù)相似過程，可以求得如下諧波次數(shù)：p2-133=12，p2-155=20，p2-177=28，p2-199=36等。需要注意的是，復(fù)合電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子的空間諧波轉(zhuǎn)速與內(nèi)轉(zhuǎn)子角速度完全一致。這樣，電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度所形成的諧波同步，因此不會(huì)對(duì)永磁體形成切割作用，永磁體內(nèi)也因此沒有渦流損耗[4]。

分析復(fù)合電機(jī)內(nèi)外層氣隙磁場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，其中存在一些旋轉(zhuǎn)角速度不同步的諧波，而這些諧波會(huì)按照其固定角速度對(duì)電機(jī)的永磁體進(jìn)行切割，形成渦流損耗。磁齒輪電機(jī)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(huì)更大，這也是必須重視磁齒輪復(fù)合電機(jī)渦流損耗的主要原因之一。

基于上文的分析，不難看出，外轉(zhuǎn)子永磁體內(nèi)部形成渦流損耗的次諧波極對(duì)數(shù)依次為12、20、28、36等，這些次諧波極對(duì)數(shù)需要滿足4的奇數(shù)倍特點(diǎn)，復(fù)合電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體內(nèi)部渦流損耗諧波極對(duì)數(shù)是22的奇數(shù)倍次，即22、44、66等諧波。對(duì)比磁齒輪復(fù)合電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子永磁體渦流損耗的具體分布情況，分析可知：磁齒輪復(fù)合電機(jī)的渦輪損耗以內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁渦流損耗為主?；谶@一結(jié)論，為有效降低渦流損耗，在加裝導(dǎo)磁環(huán)時(shí)需要對(duì)內(nèi)轉(zhuǎn)子磁路進(jìn)行調(diào)整，確保內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體內(nèi)部的磁路從原來的耦合結(jié)構(gòu)調(diào)整為非耦結(jié)構(gòu)，這樣就能夠有效降低內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體內(nèi)部渦流，進(jìn)而使得渦流損耗大幅度降低。

需要重點(diǎn)考慮的是，加裝導(dǎo)磁環(huán)會(huì)一定程度造成磁齒輪復(fù)合電機(jī)的轉(zhuǎn)矩有所下降，轉(zhuǎn)矩性能受到一定影響。為獲得最優(yōu)方案，需要在實(shí)際設(shè)計(jì)中綜合考量各種影響因素和性價(jià)比，以及平衡性能得失，最終形成更為有效的轉(zhuǎn)矩性能與損耗綜合性比的設(shè)計(jì)方案。一個(gè)比較有效的設(shè)計(jì)方案就是采用各異調(diào)制比配合磁齒輪復(fù)合電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)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(jī)性能，但電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能與渦流損耗問題相互矛盾，兩個(gè)優(yōu)勢(shì)很難同時(shí)兼?zhèn)?。針?duì)不同調(diào)制比樣機(jī)的測(cè)試表明，磁齒輪復(fù)合電機(jī)永磁體采取耦合磁路調(diào)制比較低的設(shè)計(jì)，則該樣機(jī)的轉(zhuǎn)矩會(huì)更大，且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也會(huì)更低，而對(duì)于非耦合磁路的磁齒輪復(fù)合電機(jī)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(shí)際檢測(cè)，如果將調(diào)制比確定為7.33的樣機(jī)在綜合性能方面有更好的表現(xiàn)[5]。

4 以降低渦流損耗為目標(biāo)的內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

磁齒輪復(fù)合電機(jī)發(fā)生渦流損耗問題，大部分損耗都發(fā)生在永磁體的內(nèi)轉(zhuǎn)子上，但考慮到電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子磁路調(diào)整無法有效兼顧到電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩密度下降。基于此，要完成降低渦流損耗的內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，需要的前提條件是確保電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變，這樣才是真正實(shí)現(xiàn)控制渦流損耗，而不是以犧牲轉(zhuǎn)矩性能為代價(jià)。

4.1 磁齒輪復(fù)合電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體采用聚磁型內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示，相比傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子表貼式結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)矩平衡方面有更好的表現(xiàn)。

該內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)屬于一種新型創(chuàng)新性聚磁內(nèi)嵌式串聯(lián)永磁結(jié)構(gòu)，選擇該結(jié)構(gòu)主要是考慮到磁齒輪復(fù)合電機(jī)屬于內(nèi)置式電機(jī)，能夠更有效地平衡磁齒輪結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。

4.2 磁齒輪電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡設(shè)計(jì)

磁齒輪復(fù)合電機(jī)的渦流損耗大部分發(fā)生在電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子的永磁體上，雖然電機(jī)的外轉(zhuǎn)子永磁體也存在渦流損耗，但相比內(nèi)轉(zhuǎn)子損耗要小得多。研究已經(jīng)證明，電機(jī)采用內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，其渦流損耗會(huì)比表貼式結(jié)構(gòu)小得多，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還同時(shí)采用了永磁體分段的技術(shù)處理方式，這種設(shè)計(jì)可進(jìn)一步減少渦流損耗。在本磁齒輪復(fù)合電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)中，直接采用永磁體分段，同時(shí)還選擇內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，原有表貼式結(jié)構(gòu)內(nèi)轉(zhuǎn)子的永磁結(jié)構(gòu)主要選用磁路耦合與非耦合結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，這樣的設(shè)計(jì)能夠更加有效控制電機(jī)永磁體內(nèi)部的渦流損耗。

對(duì)于內(nèi)置式電機(jī)來說，其電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)部分，即定子繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子，內(nèi)轉(zhuǎn)子由磁齒輪組成。在電機(jī)工作狀態(tài)下，電機(jī)的磁齒輪會(huì)與永磁電機(jī)整合形成磁齒輪復(fù)合電機(jī)，此時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)子作為磁齒輪與永磁電機(jī)耦合作用的介質(zhì)，這是考慮到電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子的永磁體所形成的磁場(chǎng)會(huì)與定子繞組磁場(chǎng)發(fā)生互動(dòng)，產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩。磁齒輪復(fù)合電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可分解為兩個(gè)分量：a.磁齒輪轉(zhuǎn)矩，來自電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子永磁體之間形成的磁傳動(dòng)作用；b.電磁轉(zhuǎn)矩，來自定子繞組磁場(chǎng)和磁齒輪內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)耦合作用。

本內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)采用內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，主要是考慮到其替代表貼式結(jié)構(gòu)內(nèi)轉(zhuǎn)子的永磁體形成磁場(chǎng)能夠和定子繞組以及磁齒輪電機(jī)同時(shí)共用。進(jìn)而整個(gè)電機(jī)渦流損耗會(huì)有顯著下降，內(nèi)轉(zhuǎn)子還可以有效地平衡電機(jī)的定子繞組形成的電磁轉(zhuǎn)矩以及內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩。實(shí)際設(shè)計(jì)中，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，定子負(fù)載系數(shù)是一個(gè)重要的指標(biāo)，用于對(duì)永磁電機(jī)與磁齒輪電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡進(jìn)行估測(cè)。

4.3 內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的形成方式在磁齒輪復(fù)合電機(jī)和普通永磁電機(jī)上基本一致，其產(chǎn)生的機(jī)理是內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體形成基本磁場(chǎng)并與定子繞組磁場(chǎng)形成相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。如果外轉(zhuǎn)子永磁體極對(duì)數(shù)個(gè)數(shù)確定，電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體極對(duì)數(shù)選擇不同的數(shù)量對(duì)應(yīng)的調(diào)制比會(huì)完全不同。充分考慮平衡的設(shè)計(jì)，需要將電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩放大到電機(jī)的外轉(zhuǎn)子上，進(jìn)而使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度能夠顯著增加。從另一個(gè)角度分析，電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子向外轉(zhuǎn)子傳導(dǎo)放大倍數(shù)決定著滿足設(shè)計(jì)要求所需的電磁轉(zhuǎn)矩，在該轉(zhuǎn)矩下可以通過調(diào)制處理使得低速轉(zhuǎn)子可以實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩。

如果外轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體極對(duì)數(shù)P2=27，此時(shí)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體極對(duì)數(shù)P1可以影響到調(diào)制比數(shù)值。加設(shè)調(diào)制環(huán)的電機(jī)貼式永磁體要滿足輸出轉(zhuǎn)矩取得最大值，需要將調(diào)制比以及磁齒輪復(fù)合電機(jī)的繞組系數(shù)統(tǒng)一進(jìn)行考慮。還有一點(diǎn)需要注意的是，永磁電機(jī)需要確定合理的槽極配比，這會(huì)直接影響到電機(jī)中反電動(dòng)勢(shì)波動(dòng)情況，對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩也會(huì)形成影響，也是電機(jī)性能的直接影響因素。內(nèi)嵌式電機(jī)可以對(duì)轉(zhuǎn)矩性能進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)還可以很大限度上降低反電動(dòng)勢(shì)容易發(fā)生的波形失真等一系列問題。

通過反復(fù)嘗試論證，對(duì)于磁齒輪復(fù)合電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)，需要重點(diǎn)把握幾個(gè)方面：a.針對(duì)外轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)P2相同的情況，需要明確8/18所對(duì)應(yīng)的更高調(diào)制比，因此這種配對(duì)方式能夠輸出更高轉(zhuǎn)矩，可以滿足電機(jī)高轉(zhuǎn)矩的要求。b.磁齒輪復(fù)合電機(jī)的定子槽數(shù)比較高的情況下，會(huì)使磁齒輪復(fù)合電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩被限制在較低水平，所以在設(shè)計(jì)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(fù)合電機(jī)定子槽數(shù)較高時(shí)，會(huì)直接影響反電動(dòng)勢(shì)，造成反電動(dòng)勢(shì)的峰值處于更高的水平，同時(shí)反電動(dòng)勢(shì)的波形畸變率也比較小。

總結(jié)上述分析，要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和渦流損耗控制的最優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，需要充分考慮磁齒輪復(fù)合電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子定子槽數(shù)，以及外轉(zhuǎn)子永磁體的極對(duì)數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于整個(gè)電機(jī)的性能有著決定性的影響。經(jīng)過反復(fù)論證和大量試驗(yàn)驗(yàn)證，最終設(shè)計(jì)方案主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：a.內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體極對(duì)數(shù)選擇P1=4，而外轉(zhuǎn)子永磁體極對(duì)數(shù)選擇P2=27。b.磁齒輪復(fù)合電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)采用18個(gè)定子槽比較適合，該設(shè)計(jì)能夠有效優(yōu)化波形失真問題，并影響反電動(dòng)勢(shì)波形狀態(tài)，使得波形更近似于矩形。

5 結(jié)語

磁齒輪復(fù)合電機(jī)主要針對(duì)低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩動(dòng)力需求，為達(dá)到這一目標(biāo)，需要采用大量稀土材料制作永磁體，因此會(huì)導(dǎo)致內(nèi)轉(zhuǎn)子渦流增大并造成嚴(yán)重的渦流損耗。渦流損耗產(chǎn)生熱量短時(shí)間不能散去會(huì)導(dǎo)致永磁體失磁，造成電機(jī)整體性能的下降?；诖耍ㄟ^分析內(nèi)轉(zhuǎn)子渦流損耗的具體情況，明確要解決轉(zhuǎn)矩和渦流能耗矛盾，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)電機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而較為深入地探究了磁齒輪復(fù)合電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]程洪峰，夏華.永磁電機(jī)在節(jié)能降耗中的應(yīng)用[J].石油和化工節(jié)能，2021（5）：18-19.

[2]馮光旭.磁齒輪電機(jī)及其研究發(fā)展分析[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2020（22）：41-44.

[3]白剛.現(xiàn)代磁齒輪永磁電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用及其能耗分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（14）：121-123.

[4]張景峰，倪瑞林，申春艷，韓冬.磁阻轉(zhuǎn)矩對(duì)永磁電機(jī)性能的影響分析[J].電子世界，2021（22）：157-159.

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

作者簡(jiǎn)介：

徐英振，男，1976年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橄⊥劣来盘胤N電機(jī)。