内置式低速大转矩永磁轮毂电机的设计研究

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１，２］。在内置式转子结构这在恒功率运行时很有用［
０引言
本文以应用于车辆自重较大场合的低速大转矩永磁同步轮毂电机为背景，对电驱动用永磁轮毂电机的结构设计等相关问题进行了研究。设计了一台额定转速为５００ｒ／ｍｉｎ，额定功率为５０ｋＷ的低速大转矩永磁同步轮毂电机，对其进行了有限元计算，研究漏磁、极弧系数等主要参数的设计对电机性能的影响，试制样机并进行了相关实验测试。
［４］
。
并且，由于双层集中绕组与单层集中绕组相比一
５］般含有较少的磁势谐波［，Leabharlann Baidu此采用双层集中绕
组结构。（２）由于每个线圈只缠绕一个电枢齿，减小了线圈长度并缩短了端部绕组伸出长度，降低了用铜量并提高了端部空间利用率，同时较少的槽数有利于提高槽的利用率。 ·２ ·
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注：１）阴影部分的极槽配合存在不平衡磁拉力；２）Ｚ —槽数；２ｐ —极数；ｑ —每极每相槽数；Ｋ —基波绕组因数；Ｎ —极、槽数的最小公倍数ｗ１ｃ
中，径向式与切向式结构相比具有较小的漏磁系数，隔磁措施简单且机械强度高；在相同磁化方向长度下，径向式结构的直轴电枢反应磁路相对于切向式结构可具有较小的直轴电抗，有利于提高电机输出转矩。直轴电枢反应磁通路径如图１（ｂ）、图１（ｃ）所示。对于具有较大自重的车辆为实现其加速性能与过载能力，以及提高转子的机械强度及可靠性，选用内置径向式转子磁极结构较为合适。 ·１ ·
２样机结构及主要参数的影响
２１样机结构样机采用１２槽１０极结构，其主要结构参数如表２所示，样机有限元模型如图３所示。
１低速大转矩永磁轮毂电机结构设计
１１转子磁极结构形式的选择在永磁同步电机中，转子磁极结构根据永磁
００９０７３０收稿日期：２
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２０１０年第４３卷第２期
对于采用左右双层绕组形式绕组端部长度的计算可按照图２进行近似计算。
图１转子基本结构及直轴电枢反应磁路示意图
（１）
。特别是分数槽集中绕组结构
对提高电机的端部空间利用具有明显的优势。因此，本文设计的低速大扭矩轮毂电机采用分数槽集中绕组结构。采用分数槽集中绕组结构主要具有以下优点：１）可有效削弱高次谐波电动势，特别是齿谐（波电动势，有利于改善感应电动势波形。由于每极每相槽数ｑ为分数，所以齿谐波的次数一般都是分数或偶数，而转子主极磁场中仅含有奇次谐波，从而避免了电动势波形中出现齿谐波电动势
根据前述低速大扭矩轮毂电机的结构设计方
内置式低速大转矩永磁轮毂电机的设计研究宫海龙，等
法，电机选用多极内置径向式结构，绕组形式为分数槽双层集中绕组，由极槽配合的选用原则可知，１２槽１０极结构是较为理想的选择。
磁桥的设计应兼顾限制漏磁与提高转子机械强度的要求，在满足转子机械强度的基础上采用最小磁桥宽度。
对于低速电机而言，为降低电机的同步转速，在设计上宜采用多极结构。并且，合适的多极结构可以提供更多的有效磁通，可降低轮毂电机的额定电流，提高电机的效率；同时也有利于延长电池的延长工作时间，降低对控制器容量的要求。但极数并不是越多越好，有时过多的极数会使得极间漏磁大幅增加，永磁体利用率过低，以致电机达不到性能要求。综合上述因素，本文设计的０极内置径向式结构。电机转子磁极选择１１２电枢绕组形式的选择电枢绕组形式的选择主要是依据轮毂电机的性能要求以及轮毂空间结构而确定。由于电机同步转速较低，转子为多极结构，若选用整数槽绕组，则定子需要数目较多的槽，这样一方面较多的槽数降低了槽的利用率，另一方面由于绕组端部跨距较大，使得端部空间不能有效利用，不利于提高电机的输出转矩。为解决低速电机中极对数较多而槽数有限的矛盾，一般多采用分数槽绕组形式，这样可以利用分数槽绕组的等效分布作用和对齿谐波电动势的削弱作用改善电势波形和提高绕组利用率
内置式低速大转矩永磁轮毂电机的设计研究宫海龙，等
内置式低速大转矩永磁轮毂电机的设计研究
宫海龙，柴凤，程树康
（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨１５０００１）
摘要：针对应用于车辆自重较大场合的低速大转矩永磁轮毂电机，给出了转子磁极结构、电枢绕组形式以及极槽配合的选用原则，采用分数槽集中绕组结构可以削弱谐波电动势的影响，提高端部空间利用率和降低齿槽转矩。设计一台１２槽１０极内置径向式永磁同步轮毂电机，采用有限元法对漏磁、气隙以及极弧系数等影响因素进行研究，以提高电机的输出性能。对样机进行了计算和实验测试，计算结果与实验结果相符，表明了设计分析的正确性。关键词：永磁轮毂电机；集中绕组；低速大转矩；空载反电势；漏磁系数
表１常用三相分数槽双层集中绕组极槽配合Ｚ６２ｐ４８６９８１０１２８１２１０１４１６１０１５１４１６ｑ１／２１／４１／２３／８３／１０１／４１／２２／５２／７１／４１／２５／１４５／１６Ｋｗ１０８６６０８６６０８６６０９４５０９４５０８６６０８６６０９３３０９３３０８６６０８６６０９５１０９５１Ｎｃ１２２４１８７２９０３６２４６０８４４８３０２１０２４０
中图分类号：ＴＭ３５１；ＴＭ３４１文献标志码：Ａ文章编号：１００１６８４８（２０１０）０２０００１０４
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＩｎｗｈｅｅｌＭｏｔｏｒｗｉｔｈＬｏｗＳｐｅｅｄａｎｄＨｉｇｈＴｏｒｑｕｅＧＯＮＧＨａｉｌｏｎｇ，ＣＨＡＩＦｅｎｇ，ＣＨＥＮＧＳｈｕｋａｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｒｏｔｏｒｐｏｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｒｍａｔｕｒｅｗｉｎｄｉｎｇ，ｓｌｏｔｐｏｌｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｉｎｗｈｅｅｌｍｏｔｏｒｗｉｔｈｌｏｗｓｐｅｅｄａｎｄｈｉｇｈｔｏｒｑｕｅｂｅｉｎｇａｐｐｌｉｅｄｔｏｈｉｇｈｓｅｌｆｗｅｉｇｈｔｏｃｃａｓｉｏｎｓｖｅｈｉｃｌｅｗｅｒｅｇｉｖｅｎ．Ｆｒａｃｔｉｏｎａｌｓｌｏｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｗｉｎｄｉｎｇｗａｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｈａｒｍｏｎｉｃｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅｆｏｒｃｅ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｗｉｎｄｉｎｇｓｅｎｄｓｐａｃｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｏｇｇｉｎｇｔｏｒｑｕｅ．Ｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｉｎｔｅｒｉｏｒｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｉｎｗｈｅｅｌｍｏｔｏｒｗｉｔｈ１２ｓｌｏｔａｎｄ１０ｐｏｌｅ．Ｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｎｏｌｏａｄｆｌｕｘｌｅａｋａｇｅ，ｐｏｌｅａｒｃｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄａｉｒｇａｐｌｅｎｇｔｈｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍｏｔｏｒｓｏｕｔｐｕｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｐｒｏｔｏｔｙｐｅａｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄ，ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔａｒｅｉｎａｇｒｅｅｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎａｌｙｓｉｓｉｓｖａｌｉｄａｔｅｄ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｉｎｗｈｅｅｌｍｏｔｏｒ；Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｗｉｎｄｉｎｇ；Ｌｏｗｓｐｅｅｄａｎｄｈｉｇｈｔｏｒｑｕｅ；ＮｏｌｏａｄｂａｃｋＥＭＦ；Ｌｅａｋａｇｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ体安装位置主要可以分为表面式和内置式结构，按永磁体磁化方向则可分为径向式和切向式结构，其基本形式如图１所示。在图１所示转子结构中，内置式转子由磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩有助于提高过载能力，而且易于弱磁扩速，
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图２电机绕组端部计算示意图
图２中粗实线表示端部绕组的中心线，参数ｄ为电机绕组绝缘伸出定子铁心端部的距离；Ｌ１为端部绕组的平均厚度的一半；ｂ、ｂｓｔ分别表示槽宽和齿宽。Ｌｂ／４，则端部中心平均长为：１可近似取为Ｌ１＝ｓｂｂｓｓＬｂ２ ·（）＝ｂＥ＝ｔ＋ｔ＋４２整个端部绕组平均长度为：ＬＬ２（Ｌｄ）ａｖ＝Ｅ＝１＋（２）（３）对于某些极槽数相近的配合，由于极槽数之间的最小公倍数较大，因而齿槽转矩较小，有利于降低电机的转矩脉动，减小振动和噪声。１３电机结构的确定常用的分数槽双层集中绕组极槽配合如表１所示。极槽选择的主要依据是：所选极槽配合应具有较高的基波绕组因数，并且绕组磁势中含有较少的谐波含量，尤其是齿谐波成分。此外，所选极槽配合应具有较小的齿槽转矩，同时应避免选择存在不平衡磁拉力的组合。