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纯电|新能源汽车用轴向磁通电机设计与分析


作者 | 金良宽 ， 徐 松/贵州航天林泉电机
来源 | EDC电驱未来
本文研究的轴向磁通永磁同步电机用于纯电动客车 ， 针对该电机的工作特点及设计指标 ， 从永磁电机定子、绕组、永磁体结构等方面进行分析 ， 采用Ansys/Maxwell有限元分析软件建立了该电机的三维有限元分析模型 ， 对其电磁特性进行了分析 。 根据设计参数制作出样机 ， 并进行试验 ， 结果表明：该电机的设计方案合理 ， 电机各项性能满足设计要求 。
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1 轴向磁通电机结构介绍
轴向磁通永磁同步电机因其具有轴向的磁通方向 ， 从而决定了其结构不同于普通的径向电机 ， 轴向磁通电机具有小体积、低噪音、高转速、高功率密度、优良的散热性能等诸多优点 。 轴向磁通电机结构简图如图1所示 。
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图1 盘式电机典型结构
轴向磁通永磁同步电机根据转子数量、相对位置及主磁路分类 ， 其结构可分为四类：单定子单转子结构、双定子单转子结构、单定子双转子结构及多盘式结构 。
为了满足整车安装要求 ， 结合电机性能参数要求 ， 本文采用中间单转子双定子结构 ， 该结构可更好满足电机性能 ， 同时获得最小转动惯量和最优的散热条件 ， 且中间转子由于双定子对称结构将受到两个相互抵消的磁拉力 ， 提高轴承使用寿命 ， 减少电机的机械损耗 ， 有利于电机的稳定性 ， 非常适用于电动汽车这种频繁启动场所 ， 双定子都可以形成旋转磁场 ， 可提高电机的电负荷 。 双定子单转子的轴向磁通电机结构简图如图2所示 。
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图2 双定子单转子轴向磁通电机
2 轴向磁通电机电磁方案设计
2.1 电机技术要求
该轴向磁通的电机工作性能指标如表1所示 。
表1 电机性能指标
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2.2 电机主要尺寸确定
针对该轴向磁通永磁同步电动机 ， 首先确定电机定子铁心外径 D和轴向长度 La ， 根据相关资料介绍 ， 轴向磁通电机主要尺寸之间的关系：
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(1)
式中, PR电机额定输出功率 。Kφ= Ar/ As转子与定子的电负荷比值(转子无绕组时 ，Kφ=0); m、 m1为电机总相数和单个定子相数; KeEMF因数; Ki电流波形因数; Kp功率波形因数; η电机效率; Bg气隙磁密; A总电负荷; f逆变器频率; p电机极对数; Do、 Dg、 Di电机外径、气隙直径、内径; KL= Do/ Le轴向磁通电机宽高比; Le电机有效长度; λ= Di/ Do轴向磁通电机直径比 。
电机结构尺寸可以通过式(1)计算得到 。
2.3 电机主要材料选型
不同永磁材料在电机内部产生不同励磁磁场 ， 进而影响电机输出性能 。 常见永磁电机永磁材料选择为钕铁硼和钐钴 ， 钐钴磁性能较钕铁硼低 。
考虑到该轴向磁通永磁电机定子采用水冷结构 ， 温度可以得到控制 ， 因此永磁体可以选择磁性能更好的钕铁硼永磁材料 。
2.4 永磁体结构设计
永磁体的形状不但影响电机的输出转矩和齿槽转矩等性能参数 ， 同时还影响电机的成本、工艺等因素 。 轴向磁通永磁电机相对径向式永磁电机而言 ， 永磁体的加工相对容易 ， 且常常改变磁极的参数来提高电机的性能 。
根据永磁体结构的不同 ， 轴向磁通电机可以分为：不等比例扇形结构、矩形结构、等比例扇形结构、圆形结构、Halbach永磁体排列结构、其它特殊的形状例如直角梯形 。 具体结构如图3所示。


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