磁齒輪復(fù)合電機內(nèi)轉(zhuǎn)子渦流損耗分析與設(shè)計

摘要：近年來，我國加大了對新能源領(lǐng)域的研發(fā)投入，其相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展對低能耗大轉(zhuǎn)矩電機提出了更高的需求和要求。為得到低能耗大轉(zhuǎn)矩電機，磁齒輪復(fù)合式電機近年來以其優(yōu)良的能耗控制和大轉(zhuǎn)矩優(yōu)勢得到業(yè)界高度重視，并成為電機研發(fā)領(lǐng)域的熱點。基于此，系統(tǒng)研究了磁齒輪復(fù)合電機的具體設(shè)計，分別對電機內(nèi)轉(zhuǎn)子渦流損耗進行了深入分析，并針對降低渦流損耗目標(biāo)對磁齒輪復(fù)合電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計進行了探討。

關(guān)鍵詞：磁齒輪復(fù)合電機；內(nèi)轉(zhuǎn)子；渦流損耗；設(shè)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(fù)合電機擁有非常良好的轉(zhuǎn)矩優(yōu)勢，加之其在能耗控制方面的優(yōu)勢，使得該電機獲得業(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)合電機獲得了更大發(fā)展空間。對于磁齒輪復(fù)合電機的研發(fā)來說，內(nèi)轉(zhuǎn)子渦流損耗問題是一項關(guān)系到該電機應(yīng)用前景的最主要指標(biāo)，也是實際研發(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)計有效解決渦流損耗，提升磁齒輪復(fù)合電機的整體性能和效能，這是研發(fā)工作最重要的突破點之一。

2 磁齒輪復(fù)合電機渦流損耗問題概述

目前，磁齒輪復(fù)合電機大量用于電動汽車以及風(fēng)力發(fā)電等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，并對這些產(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)合電機能夠得到應(yīng)用，主要是因為其在能耗和轉(zhuǎn)矩方面的優(yōu)勢[1]。在電機轉(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，這也是很多針對磁齒輪復(fù)合電機研究所關(guān)注的地方。磁齒輪復(fù)合電機損耗問題如果能夠得到進一步降低，其應(yīng)用空間將會更加寬廣。業(yè)界對降低損耗的相關(guān)研究主要側(cè)重在對內(nèi)外轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)進行改變以優(yōu)化電機轉(zhuǎn)矩，但磁齒輪復(fù)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(yīng)有的關(guān)注。

對于渦流損耗形成的原因，主要是由于磁齒輪復(fù)合式電機結(jié)構(gòu)中加入大量稀土材料制造永磁體，高速運行時永磁體內(nèi)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(nèi)部擴散?？紤]到復(fù)合電機本身復(fù)雜緊湊的結(jié)構(gòu)特點，同時還有多層氣隙的影響，造成電機工作狀態(tài)下難以有效散熱，此時，磁齒輪復(fù)合電機內(nèi)轉(zhuǎn)子中的永磁體會在短時間內(nèi)發(fā)生溫度劇升的問題，進而引發(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)合電機渦輪損耗的設(shè)計，對整個電機的工作狀態(tài)和使用壽命都有顯著幫助。

3 磁齒輪復(fù)合電機渦流損耗分析

磁齒輪復(fù)合電機正常工作狀態(tài)下需要永磁體保持高速運轉(zhuǎn)，電機永磁體內(nèi)部不可避免會產(chǎn)生渦流并導(dǎo)致能量損耗，散發(fā)較大熱量，并造成電機性能的下降。分析此時電機內(nèi)外層氣隙中的磁場，該磁場函數(shù)表達式為非正弦狀態(tài)，其中所包含的諧波中，有很多奇數(shù)倍的諧波存在。而就是因為這些次諧波的影響，永磁體內(nèi)部才會出現(xiàn)大量渦流，并導(dǎo)致發(fā)生大量能量損耗[3]。對磁齒輪復(fù)合電機內(nèi)外轉(zhuǎn)子中的永磁體獨立運轉(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)系來確定對應(yīng)的諧波對數(shù)?？闪瞀?=-ω2p2/p1，并據(jù)此來求解諧波極對數(shù)以及內(nèi)轉(zhuǎn)子的角速度。設(shè)電機調(diào)磁鐵塊數(shù)為26，可得復(fù)合電機內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體的極對數(shù)為4，復(fù)合電機外轉(zhuǎn)子永磁體的極對數(shù)為22，此時內(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，電機旋轉(zhuǎn)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(nèi)也因此沒有渦流損耗[4]。

分析復(fù)合電機內(nèi)外層氣隙磁場可以發(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(fù)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(zhuǎn)子永磁體內(nèi)部形成渦流損耗的次諧波極對數(shù)依次為12、20、28、36等，這些次諧波極對數(shù)需要滿足4的奇數(shù)倍特點，復(fù)合電機內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體內(nèi)部渦流損耗諧波極對數(shù)是22的奇數(shù)倍次，即22、44、66等諧波。對比磁齒輪復(fù)合電機內(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)時需要對內(nèi)轉(zhuǎn)子磁路進行調(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，進而使得渦流損耗大幅度降低。

需要重點考慮的是，加裝導(dǎo)磁環(huán)會一定程度造成磁齒輪復(fù)合電機的轉(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，需要在實際設(shè)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(zhuǎn)矩性能與損耗綜合性比的設(shè)計方案。一個比較有效的設(shè)計方案就是采用各異調(diào)制比配合磁齒輪復(fù)合電機內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)磁路耦合和非耦合的處理效果?；诶碚摲治鲆约胺抡嫜芯糠绞娇色@得最佳電機性能，但電機轉(zhuǎn)矩性能與渦流損耗問題相互矛盾，兩個優(yōu)勢很難同時兼?zhèn)?。針對不同調(diào)制比樣機的測試表明，磁齒輪復(fù)合電機永磁體采取耦合磁路調(diào)制比較低的設(shè)計，則該樣機的轉(zhuǎn)矩會更大，且轉(zhuǎn)矩脈動也會更低，而對于非耦合磁路的磁齒輪復(fù)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(diào)制比確定為7.33的樣機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

磁齒輪復(fù)合電機發(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，但考慮到電機內(nèi)轉(zhuǎn)子磁路調(diào)整無法有效兼顧到電機轉(zhuǎn)矩性能，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩密度下降?；诖耍瓿山档蜏u流損耗的內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計，需要的前提條件是確保電機輸出轉(zhuǎn)矩不變，這樣才是真正實現(xiàn)控制渦流損耗，而不是以犧牲轉(zhuǎn)矩性能為代價。

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

本設(shè)計在內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體采用聚磁型內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)設(shè)計，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)合電機屬于內(nèi)置式電機，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 磁齒輪電機的轉(zhuǎn)矩平衡設(shè)計

磁齒輪復(fù)合電機的渦流損耗大部分發(fā)生在電機內(nèi)轉(zhuǎn)子的永磁體上，雖然電機的外轉(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，電機采用內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，其渦流損耗會比表貼式結(jié)構(gòu)小得多，在實際設(shè)計中，還同時采用了永磁體分段的技術(shù)處理方式，這種設(shè)計可進一步減少渦流損耗。在本磁齒輪復(fù)合電機內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計中，直接采用永磁體分段，同時還選擇內(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)計能夠更加有效控制電機永磁體內(nèi)部的渦流損耗。

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

本內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計采用內(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(nèi)轉(zhuǎn)子還可以有效地平衡電機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。實際設(shè)計中，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計，定子負(fù)載系數(shù)是一個重要的指標(biāo)，用于對永磁電機與磁齒輪電機轉(zhuǎn)矩平衡進行估測。

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

電機內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的形成方式在磁齒輪復(fù)合電機和普通永磁電機上基本一致，其產(chǎn)生的機理是內(nèi)轉(zhuǎn)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(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。如果外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)個數(shù)確定，電機內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)選擇不同的數(shù)量對應(yīng)的調(diào)制比會完全不同。充分考慮平衡的設(shè)計，需要將電機內(nèi)轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩放大到電機的外轉(zhuǎn)子上，進而使得電機轉(zhuǎn)矩密度能夠顯著增加。從另一個角度分析，電機內(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)子可以實現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩。

如果外轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體極對數(shù)P2=27，此時電機內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體極對數(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)合電機的繞組系數(shù)統(tǒng)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(zhuǎn)矩也會形成影響，也是電機性能的直接影響因素。內(nèi)嵌式電機可以對轉(zhuǎn)矩性能進行優(yōu)化，同時還可以很大限度上降低反電動勢容易發(fā)生的波形失真等一系列問題。

通過反復(fù)嘗試論證，對于磁齒輪復(fù)合電機內(nèi)轉(zhuǎn)子的設(shè)計，需要重點把握幾個方面：a.針對外轉(zhuǎn)子極對數(shù)P2相同的情況，需要明確8/18所對應(yīng)的更高調(diào)制比，因此這種配對方式能夠輸出更高轉(zhuǎn)矩，可以滿足電機高轉(zhuǎn)矩的要求。b.磁齒輪復(fù)合電機的定子槽數(shù)比較高的情況下，會使磁齒輪復(fù)合電機齒槽轉(zhuǎn)矩被限制在較低水平，所以在設(shè)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(fù)合電機定子槽數(shù)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(jié)上述分析，要實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和渦流損耗控制的最優(yōu)化設(shè)計要求，需要充分考慮磁齒輪復(fù)合電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子定子槽數(shù)，以及外轉(zhuǎn)子永磁體的極對數(shù)，這兩個參數(shù)對于整個電機的性能有著決定性的影響。經(jīng)過反復(fù)論證和大量試驗驗證，最終設(shè)計方案主要包括以下幾個關(guān)鍵方面：a.內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)選擇P1=4，而外轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)選擇P2=27。b.磁齒輪復(fù)合電機內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計采用18個定子槽比較適合，該設(shè)計能夠有效優(yōu)化波形失真問題，并影響反電動勢波形狀態(tài)，使得波形更近似于矩形。

5 結(jié)語

磁齒輪復(fù)合電機主要針對低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩動力需求，為達到這一目標(biāo)，需要采用大量稀土材料制作永磁體，因此會導(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)生熱量短時間不能散去會導(dǎo)致永磁體失磁，造成電機整體性能的下降?；诖?，通過分析內(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)實際情況對電機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和單元進行設(shè)計，進而較為深入地探究了磁齒輪復(fù)合電機內(nèi)轉(zhuǎn)子的設(shè)計思路。

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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。