新型定子永磁型轴向磁场永磁电机设计

杨公德，李 捷，饶 飞

（福州大学 电气工程与自动化学院，福州 350108）

随着国际社会环保理念的不断提升，传统燃油船舶在行驶过程中所带来的能耗和环境污染问题越来越受到广泛关注，加快发展具备零污染排放特性的电动船舶受到了航运界的青睐[1-2]。《绿色生态船舶规范》明确了船舶动力系统电动化发展方向，目的是促进节能与减排的技术应用，倡导绿色造船和绿色航运[3]。目前，受岸基充电术和电动船舶舱室空间限制，电动船舶的续航里程较短，制约其在货运和远洋航运方面的应用。研发高功率密度、高效率驱动电机，拓展给定电池能量密度下电动船舶续航里程，已成为加快电动船舶发展步伐的关键技术手段。

《中国制造2025》重点领域技术路线要求的驱动电机功率密度指标远高于现有感应电机和径向永磁同步电机等驱动电机的功率密度，而定子永磁型轴向磁场永磁同步电机体积小、重量轻、效率和功率高，能节约电动船舶舱室空间以增加有效载荷比，已成为最具竞争力的新一代电动船舶驱动电机。近年来研究者提出多种定子永磁型轴向磁场永磁同步电机拓扑，文献[4-6]提出了一种双定子中间转子结构的轴向磁场磁通切换型永磁电机，双定子采用相同结构，均放置电枢绕组和永磁体，转子上既无绕组也无永磁体，非常适合高速应用场合。文献[7]提出了一种双转子中间定子结构的轴向磁场磁通切换型永磁电机，中间定子上放置电枢绕组和永磁体，双转子采用相同结构，均无绕组也无永磁体。但以上定子永磁型轴向磁场永磁电机存在电负荷和磁负荷间的空间冲突问题，限制了电机的转矩密度提升。文献[8-9]提出了一种双定子中间转子结构的分离定子轴向磁场永磁电机，两个定子放置不同的励磁源，一个定子上放置电枢绕组，另一个定子上放置永磁体。由于永磁体和电枢绕组位于不同的定子上，增加了电负荷和磁负荷设计自由度，提升了电机转矩密度。但该电机结构不对称，轴向磁拉力较大。

针对现有定子永磁型轴向磁场永磁电机存在问题，本研究提出一种电动船舶用新型定子永磁型轴向磁场永磁电机。分离定子结构，增加了电负荷和磁负荷设计自由度，提升了电机转矩密度；轴向对称结构，减小了轴向磁拉力；模块化的电枢定子和转子结构，易于加工制造。首先研究所提出电机拓扑的结构，然后基于三维有限元，研究所提出电机空载和负载工况下的电磁性能。

1 新型定子永磁型轴向磁场永磁电机拓扑

本文提出了一种12/10 新型定子永磁型轴向磁场永磁电机，拓扑结构如图1 所示。该电机由1 个中间电枢定子、2 个相同永磁定子和2 个相同转子组成，电枢定子和转子均为凸极结构，永磁定子采用表贴式永磁结构。电枢定子采用H 桥铁心，每个H 桥铁心轭部嵌绕电枢线圈，每块永磁体中心相邻的2 个H 桥铁心中心对齐，转子由导磁块和隔磁块组成，结构简单、坚固，可靠性高。新型定子永磁型轴向磁场永磁电机特点如下：①多定子/转子轴向对称结构，轴向空间利用率和转矩/功率密度高；②电枢定子和永磁定子的分离结构，提高了电磁负荷设计自由度，进一步提升了电机转矩/功率密度；③模块化的定子/转子结构，易于加工、制造。

图1 新型定子永磁型轴向磁场永磁电机拓扑结构

2 定子永磁型轴向磁场永磁电机电磁性能

转速为300 rpm 时，12/10 定子永磁型轴向磁场永磁电机的三相空载磁链波形如图2 所示。由图2 可知，所提出电机的三相磁链在空间接近正弦对称分布，磁链基波幅值为0.169 Wb，3 次谐波分量幅值为0.000 8 Wb，5 次谐波分量幅值为0.001 5 Wb。经计算，该新型电机空载磁链谐波畸变率为1.58%。

图2 定子永磁型轴向磁场永磁电机空载磁链

转速为300 rpm 时，12/10 槽极组合定子永磁型轴向磁场永磁电机的三相空载反电动势波形如图3所示。所提出电机的三相空载反电动势在空间接近正弦对称分布，反电动势基波幅值为52.71 V，3 次谐波分量幅值为0.874 V，5 次谐波分量幅值为2.33 V。经计算，该新型电机空载反电动势谐波畸变率为7.66%。

图3 定子永磁型轴向磁场永磁电机空载反电动势

由于齿槽转矩会引起电机振动和噪音，影响电机的稳定运行。采用三维有限元方法对所提出12/10 槽极组合定子永磁型轴向磁场永磁电机的齿槽转矩进行研究，得到如图4 所示的齿槽转矩。该电机齿槽转矩峰峰值为4.02 N·m，平均齿槽转矩为0.85 N·m。

图4 定子永磁型轴向磁场永磁电机齿槽转矩

在额定电流作用下，12/10 槽极组合定子永磁型轴向磁场永磁电机的电磁转矩与电流角的关系如图5 所示。在电流角由-90°～90°，电机的平均电磁转矩先增加后减小，电流角为0°时，电机平均电磁转矩达到最大值。由此可见，定子永磁型轴向磁场永磁电机是一种隐极式永磁电机，其磁阻转矩为零。通过采用（id）=0 控制，该电机可获得最大转矩输出。

图5 平均电磁转矩随电流角的变化规律

电流角为0°时，不同电流有效值对应的平均电磁转矩如图6 所示。由图6 可见，定子永磁型轴向磁场永磁电机的平均电磁转矩与电流有效值的比率几乎恒定，仅在电流有效值较高时出现了微弱饱和。

图6 平均电磁转矩随电流有效值的变化规律

定子永磁型轴向磁场永磁电机在负载工况下的电磁转矩波形如图7 所示，其电磁转矩峰峰值为3.88 N·m，平均电磁转矩为18.17 N·m。

图7 定子永磁型轴向磁场永磁电机电磁转矩

电磁转矩脉动定义式为

式中：Tmax为电磁转矩最大值；Tmin为电磁转矩最小值；Tavg为平均电磁转矩。

基于图7，按照上式计算得到的定子永磁型轴向磁场永磁电机的转矩脉动为21.38%。

3 结束语

本文以定子永磁型轴向磁场永磁同步电机作为研究对象，分别针对电磁负荷设计自由度、拓扑结构对称性、电机电枢定子和转子模块化等多个方面进行优化，提出了一种新型定子永磁型轴向磁场永磁电机，为了验证所提出电机设计的可靠性，以一台槽极组合为12/20 结构的样机作为对象，分析其在空载和负载工况下的电磁性能，根据三维有限元软件仿真显示，当电机处于空载工况下时，齿槽转矩峰峰值为4.02 N·m，空载反电动势经过傅立叶分解得到谐波畸变率为7.66%；当电机处于负载工况下时，电磁转矩峰峰值为3.88 N·m，平均电磁转矩达到18.17 N·m，转矩脉动为21.38%。