混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛中盤(pán)式永磁無(wú)刷發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)研究

王文兵 朱浩 張華

[摘 ? ?要]文章主要研究應(yīng)用于混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的盤(pán)式永磁無(wú)刷發(fā)電機(jī)，從基本的電磁關(guān)系出發(fā)，結(jié)合混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)，做出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證得到其空載特性與負(fù)載特性。研究結(jié)果表明，盤(pán)式永磁無(wú)刷發(fā)電機(jī)具有電樞反應(yīng)小，功率密度高，可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛發(fā)電機(jī)的要求。

[關(guān)鍵詞]盤(pán)式永磁無(wú)刷電機(jī);高功率密度;SMC-YASA

[中圖分類(lèi)號(hào)]TB857+.3 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）03–00–03

Design of A Brushless Disc-typeGeneratorwith Permanent Magnetsfor Hybrid Vehicles

Wang Wen-bing，Zhu Hao，Zhang Hua

[Abstract]Based on the basic relationship between electricity and magnetism as well as the technical characteristics of hybrid vehicles， a brushless disc-typegenerator with permanent magnets is designed forsuch vehicles. The no-load and load characteristics are obtained through simulation verification. The research shows that a brushless disc-typegenerator with permanent magnets feature small armature reaction， high power density and reliability， which meets the requirements of hybrid vehicles.

[Keywords]brushless disc-typegenerator with permanent magnets; high power density;SMC-YASA

本文主要研究用于混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的盤(pán)式永磁無(wú)刷發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高等優(yōu)勢(shì)，充分解決了混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛空間限制和功率需求的問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)盤(pán)式永磁無(wú)刷發(fā)電機(jī)的研究主要集中在電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源發(fā)電、飛輪儲(chǔ)能等對(duì)功率密度要求較高的領(lǐng)域。由于盤(pán)式電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣，性能參數(shù)計(jì)算復(fù)雜，一直是電機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文結(jié)合實(shí)際情況，提出了1種應(yīng)用于混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的盤(pán)式永磁無(wú)刷發(fā)電機(jī)方案。

1 盤(pán)式永磁無(wú)刷發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

盤(pán)式永磁電機(jī)（YASA）的結(jié)構(gòu)型式多樣，但為了消除單邊磁拉力和提高功率密度，通常采用雙定子或雙轉(zhuǎn)子。本項(xiàng)目采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖1所示，定子分塊鐵心采用軟磁復(fù)合材料（SMC）模壓技術(shù)。

與目前電機(jī)通用的硅鋼片相比，軟磁復(fù)合材料具有各向同性磁特性、高頻鐵耗低、模壓成形后可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。將其應(yīng)用于電機(jī)時(shí)，可充分利用其各向同性的磁特性，使線圈內(nèi)外兩側(cè)端部也參與能量轉(zhuǎn)換（基于硅鋼疊片鐵心的繞組線圈端部只用于連接線圈有效部分而不參加能量轉(zhuǎn)換）。

2 盤(pán)式永磁無(wú)刷發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛實(shí)際情況，確定發(fā)電機(jī)各項(xiàng)初始參數(shù)，如表1所示。

2.2 電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本方案發(fā)電機(jī)采用SMC-YASA結(jié)構(gòu)，即單定子盤(pán)、雙轉(zhuǎn)子盤(pán)結(jié)構(gòu)，定子部分為12個(gè)由SMC材料模壓而成的無(wú)軛分塊鐵心，最大限度地精簡(jiǎn)磁路，從而減輕產(chǎn)品重量和提高工作效率;線圈采用分?jǐn)?shù)槽集中式繞組技術(shù)，提高槽滿(mǎn)率，減少但不銅線用量，大幅提升了產(chǎn)品的功率密度、轉(zhuǎn)矩密度和工作效率。繞組連接方式如圖2所示。

兩側(cè)轉(zhuǎn)子盤(pán)均采用10極的N-S結(jié)構(gòu)。SMC-YASA電機(jī)電磁設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.1 定子盤(pán)電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定子采用模塊化結(jié)構(gòu)，各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立，且形狀大小完全相同，定子齒身截面為扇形，在齒身的上下各有1個(gè)厚度為5 mm的扇形齒靴，每個(gè)鐵心模塊均采用SMC材料模壓而成。定子盤(pán)電磁設(shè)計(jì)三維結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

定子繞組采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組，連接方式為三相Y型連接，并聯(lián)支路數(shù)為1。選用直徑為0.95 mm的圓銅線，并繞根數(shù)為19。要達(dá)到設(shè)計(jì)要求的反電動(dòng)勢(shì)，則每個(gè)定子線圈匝數(shù)N=16。

2.2.2 轉(zhuǎn)子盤(pán)電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子盤(pán)作為電機(jī)主磁通回路的一部分，需要由導(dǎo)磁材料制成，在此選用導(dǎo)磁不銹鋼，轉(zhuǎn)子盤(pán)外徑及內(nèi)徑與定子極靴外徑和內(nèi)徑相等，轉(zhuǎn)子盤(pán)厚度為10 mm，在定子兩邊各有1個(gè)轉(zhuǎn)子盤(pán)，軸向充磁的永磁體安裝在轉(zhuǎn)子盤(pán)表面，每個(gè)轉(zhuǎn)子盤(pán)上有10個(gè)采用釤鈷材料的扇形永磁體，呈N-S交替分布，上下轉(zhuǎn)子盤(pán)上相對(duì)的永磁體極性相反，轉(zhuǎn)子三維結(jié)構(gòu)圖及主磁通路徑示意圖分別如圖5所示。

3 電磁仿真結(jié)果

3.1 氣隙磁密

氣隙磁密是電機(jī)的一項(xiàng)重要參數(shù)，不僅影響電機(jī)其他部分的磁密，而且決定了電機(jī)的性能，電機(jī)平均半徑處軸向氣隙磁密分布如圖6所示，由圖可知?dú)庀洞琶茏畲笾禐?.8 T。

3.2 定轉(zhuǎn)子盤(pán)磁密

定轉(zhuǎn)子磁密分布圖如圖7所示，可以看出，電機(jī)定子齒最大磁密為1.50 T，遠(yuǎn)低于SMC材料的飽和值，轉(zhuǎn)子盤(pán)最大磁密約為1.80 T，也沒(méi)有飽和。

3.3 空載反電動(dòng)勢(shì)

電機(jī)A、B、C三相的空載反電動(dòng)勢(shì)波形如圖8所示，可以看出電動(dòng)勢(shì)的有效值為213 V，比額定相電壓194 V高19 V左右，處于較合理的區(qū)間范圍。

3.4 額定負(fù)載時(shí)電流

電機(jī)運(yùn)行在額定工況下的繞組電流波形如圖9所示，從中可以看出，電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀況時(shí)，電流有效值約為130 A。

3.5 額定負(fù)載時(shí)的工作效率

鐵芯損耗PFe：仿真數(shù)據(jù)顯示，該電機(jī)定轉(zhuǎn)子的鐵芯損耗累計(jì)為611 W;

繞組損耗Pcu：該電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行與額定工況時(shí)繞組溫度在130℃左右，此時(shí)繞組相電阻為0.0292 Ω，故Pcu=3I2R=3×130×130×0.0292=1480 W;

其他損耗：如機(jī)械損耗風(fēng)摩損耗等，累計(jì)以1.5%預(yù)估，約1200 W;

故η=80000/（80000+611+1480+1200）=96.05%。

4 先進(jìn)性分析

SMC-YASA電機(jī)具有以下結(jié)構(gòu)及材料優(yōu)勢(shì)：①采用永磁無(wú)刷發(fā)電機(jī)型式，具有比電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)更高的功率密度、運(yùn)行效率;②采用盤(pán)式軸向磁場(chǎng)永磁無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)，具有比徑向磁場(chǎng)永磁無(wú)刷發(fā)電機(jī)更高的功率密度和運(yùn)行效率;③采用雙轉(zhuǎn)子盤(pán)結(jié)構(gòu)而無(wú)單邊磁拉力;④采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)而具有繞組端部短的特點(diǎn)，從而具有用銅量少、銅耗低的特點(diǎn)，有利于進(jìn)一步提高電機(jī)的功率密度和運(yùn)行效率;⑤采用無(wú)定子鐵心軛結(jié)構(gòu)而具有低導(dǎo)磁鐵心用量，從而具有低鐵耗、低重量，更提高了電機(jī)的功率密度和運(yùn)行效率;⑥采用SMC分塊鐵心結(jié)構(gòu)，而可充分利用繞組線圈的內(nèi)外周端部。因此SMC-YASA最優(yōu)性能：最高功率密度、最高轉(zhuǎn)矩密度和最高運(yùn)行效率。

5 結(jié)語(yǔ)

本文給出了1種SMC-YASA電機(jī)的設(shè)計(jì)方法用于解決混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛中對(duì)發(fā)電機(jī)提出的高功率密度的要求，在保證高功率密度的前提下，達(dá)到了了輕量化、便攜化、可靠性高的目的。目前，山東大學(xué)已經(jīng)試制了樣機(jī)，但仍有一些關(guān)鍵技術(shù)尚未取得突破，還需要進(jìn)行更加深入的研究。

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