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電動車輛新型電機應用分析

文檔作者：蔣建文張承寧武小花王志福文檔來源：北京理工大學		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年04月27日
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電
動
車
輛
新
型
電
機
應
用
分
析
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電動車輛新型電機應用分析
蔣建文，張承寧，武小花，王志福
(北京理工大學，北京100081)
摘要：對電動車輛新型電機應用進行了研究，分析了在徑向磁場、軸向磁場和橫向磁場下各種電機的結構與
工作原理，并對其特點進行了比較，指出了影響電機功率密度和轉矩密度的因素，為電動車輛電機的選用提供了一
定參考。
關鍵詞：電動汽車；雙轉子；雙定子；徑向磁場電機；軸向磁場電機；橫向磁場電機
中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7018(2011)08-0064-04
Application Analysis of New M otors in Electric Vehicle
JIANG Jian-wen，ZHANG Cheng-ning， Xiao—hua，WANG Zhi
(Beijing Institute of Technology，Beijing 10008 1，China)
Abstract：New motors applied in the electric vehicles were studied and the structure and principle of several kinds of
motors under radial-magnetic field，axial—magnetic field and transverse magnetic field were analyzed．The characteristic of
them was compared and the factors that influenced the power density and torque density of motor were pointed out．It provides
a reference for selecting appropriate motor in electric vehicles to some degree．
Key words：electric vehicle；dual-rotor；dual-stator；radial-field motor；axial-field motor；transverse flux motor
0引 言
由于日益嚴峻的能源危機和環(huán)境污染問題，汽
車向著低油耗、低排放的方向發(fā)展，作為理想零排放
或低排放的新能源車輛，純電動汽車、混合動力汽車
和燃料電池汽車已引起全世界的高度關注。然而，
目前純電動汽車受行駛里程的限制，暫時難以普及；
燃料電池汽車具有高效率、清潔等優(yōu)點，但技術還不
成熟、制造成本高，在一段時期內還難以產業(yè)化；混
合動力汽車作為一種過渡形式在近期被看好。
電機作為電動車輛上的關鍵部件，其特性要求
如下：大扭矩、調速范圍寬、能量功率高、轉矩密度
大、瞬間電流大、重量輕、體積小。目前應用的有直
流電機、感應電機、永磁電機和開關磁阻電機。這些
都是單轉子單定子電機，雙轉子、雙定子電機因其有
較大的轉矩和較好的調速特性受到國內外的廣泛研
究，本文著重介紹幾種雙轉子、雙定子電機，說明其
結構、工作原理及特點。
按磁場的方向不同，電機可分為徑向磁場電機、
軸向磁場電機和橫向磁場電機。
1徑向磁場電機
普通圓柱式電機的氣隙是圓桶形，氣隙磁場方
Ii： ： ：
向垂直于圓桶切線方向與電機定子和轉子截面徑向
方向平行，因此稱之為徑向磁場電機。根據(jù)定轉子
布置方式不同，分雙機械端口雙轉子電機、單機械端口
雙轉子電機、同心式雙定子電機、并列式雙定子電機。
1．1雙機械端口雙轉子電機
1．1．1機械結構
圖1是電機的橫截面，圖2是軸截面，輸入軸、
內轉子鐵心、內轉子永磁磁鋼、外轉子鐵心和外轉子
內繞組組成內電機；定子繞組、定子鐵心、外轉子鐵
圖1 雙機械端口雙轉子電機橫截面
心和外轉子外繞組
組成外電機；由里到
外依次是輸入軸、內
轉子鐵心、內轉子永
磁磁鋼、外轉子鐵
心、外轉子內繞組、
外轉子外繞組、定子圖
鐵心、定子繞組、機 2 雙機械端口雙轉子電機軸面
? 一． ． 墮整宴． ??20?11． 蘭 ?????????????????????????． ??
殼，內轉子鐵心固定在輸入軸上。定子鐵心固定在
機殼上，外轉子鐵心與輸出軸剛性連接，外轉子內繞
組和外轉子外繞組連接形成回路，定子繞組與逆變
器連接。
1．1．2工作原理
該電機可以看作是由一個徑向式永磁磁路結構
的內電機與一個勵磁磁路結構的外電機組成，內轉
子和汽車發(fā)動機曲軸相連，曲軸帶動內轉子上的永
磁體旋轉，在氣隙空問產生旋轉磁場，外轉子繞組感
應電流，產生電磁力驅使外轉子旋轉，同時外轉子在
定子勵磁繞組作用下也產生轉矩，兩個轉矩疊加共
同輸出。
1．1．3電機特點
由于發(fā)動機與車輪之間沒有直接的機械連接，
可以調節(jié)發(fā)動機在高效點工作，當負載變化時，只需
調整定子磁場產生的電磁轉矩，電機可以實現(xiàn)發(fā)動
機至車輪的無級變速(EVT)傳動，因而整車油耗少、
效率高。目前國內設計了這種電機應用于SUV混
合動力汽車上，內電機最大功率為38 kW，最大轉矩
為150 N·in，外電機最大功率為68 kW，最大轉矩
為430 N·nl，最高轉速為4 500 r／min。
但雙機械端口雙轉子電機因具有兩個機械端口
和兩個電端口，能量的變換與傳遞很復雜，目前還沒
有該類電機比較完整的數(shù)學模型。
1．2單機械端口雙轉子電機
1．2．1機械結構
圖3為其橫截面，圖4為三維模型圖，外轉子磁
體緊貼在外轉子導磁鐵心軛內表面，內轉子磁體緊
貼在內轉子導磁鐵心軛外表面，內外轉子共用一個
定子。定子由鐵心和繞組組成，鐵心內、外表面有均
勻分布的齒槽，繞組由背靠背線圈組成。外轉子導
磁鐵心軛、外轉子磁體組成外轉子，轉軸、內轉子導
磁鐵心軛及內轉子磁體組成內轉子。內外轉子通過
端部圓盤連在一起并與軸承、支撐在靜止座和垂直
靜止端蓋上。定子固定在垂直靜止端蓋上。外轉子
與定子形成電機的外氣隙，內轉子與定子形成電機
的內氣隙。
1．2．2工作原理
電機基于永磁體Halbach陣列排布運行，Halbach
陣列是一種新型永磁體排列方式，可使陣列一
邊的磁場顯著增強而另一邊顯著減弱，且很容易在
空間得到較理想正弦分布的磁場。該電機可以看作
是一臺內轉子永磁電機和一臺外轉子永磁電機串聯(lián)
而成，定子繞組外槽導體為外轉子永磁電機的定子
繞組，內槽導體為內轉子永磁電機的定子繞組，外轉
子磁體在外轉子繞組作用下產生的電磁轉矩與內轉
子磁體在內轉子繞組作用下產生的電磁轉矩疊加共
同輸出。
圖3 雙轉子永磁電機橫截面
外轉
圖4 雙轉子永磁電機三維圖
1．2．3電機特點
由于內外轉子磁體采用Halbach陣列排布，氣
隙磁場強度大幅度提高，而轉子軛部磁場強度減低，
這樣可以減小轉子軛部鐵心厚度，能有效減小電機
體積，提高電機功率密度。同時由于磁場正弦分布
程度較高，因此可以采用集中繞組。普通電機定子
與轉子之間有徑向磁拉力，而這種電機內外磁拉力
方向相反，兩者可以抵消一部分力，有利于電機的穩(wěn)
定運行。因此基于Halbach陣列的永磁電機比普通
的永磁電機有更多的優(yōu)勢，目前對該類電機的研究
也比較多，山東大學設計了一臺額定功率2．2 kW、
額定轉速1 200 r／min的雙轉子永磁電機并申請了
專利。
1．3同心式雙定子電機
雙定子電機指具有兩個定子的電機，兩個定子
的有功電流產生的電磁轉矩共同作用于轉子作機械
功，此類電機具有響應快、加速度大、轉矩波動小、過
載能力高和驅動控制系統(tǒng)靈活等優(yōu)點，在空間有限
的條件下，可以大大減小機械系統(tǒng)的體積與重量。
電
動
觸持電棚 2011年第8期
和空間利用率。
1．4并列式雙定子電機
并列式雙定子電機如圖6所示，電機軸向有兩
個定子，其中一個與機
座相連，固定不動，稱
為主定子，另一個可以
在一定范圍內轉動，稱
為調速定子。兩個定
軸主定 無弦 鐵心調 定子
l監(jiān)薹囂囂耍杰強愛 籠 §秀 摶轉子導條
—盈 絲鎏溪
胡— —— —— 翻—— —— —
圖6 并列式雙定子電機結構
子的三相接線對應相并接引出，當調速定子轉動角
度6時，兩個定子繞組產生的旋轉磁勢將產生相應
的相位差，引起轉子導條合成感應電勢隨6改變，從
而使轉子轉速也隨之改變，這樣通過改變調速定子
的位置，達到平滑調節(jié)電機轉速的目的，調速范圍
寬，可在30％ ～98％之內穩(wěn)定控制。此類電機具有
良好的起動和調速性能，在汽車領域比較適用，哈爾
濱工業(yè)大學根據(jù)傳統(tǒng)永磁同步電機的結構特點，設
計了這種雙定子永磁同步電機，用于電動汽車上。
2軸向磁場電機
傳統(tǒng)徑向磁通電機由于存在齒根部的瓶頸現(xiàn)
象，電機冷卻困難和鐵心利用率低，勵磁繞組存在磁
滯和渦流損耗等缺陷，使得軸向磁通電機的發(fā)展成
為必然，軸向磁場電機氣隙磁場方向垂直氣隙平面，
與轉子軸向平行，因此稱為軸向磁場電機，比較常見
的是盤式永磁同步電機。它具有永磁電機的結構簡
單、運行可靠、體積小、質量輕、效率高等優(yōu)點，同時
具有盤式電機的軸向尺寸短、結構緊湊，功率密度高
等優(yōu)勢，轉矩／重量大，適合低速大扭矩直接驅動裝
置。與徑向磁通電機比較如表1所示，可見在相同
體積下，軸向磁場電機可比徑向磁場電機產生更大
的轉矩和更高的功率密度。
表1 各電機性能比較
電機類功率密度 轉矩／轉動
型
／fW ·kg 1 慣量比
永磁直流電動機 80 <2
徑向磁場電機 異步電動機 1OO <2
永磁同步電動機 l15 4．2
永磁無刷直流電動機 133 <2
軸向磁場電機 盤式永磁同步電動機 275 5．6
圖7 單定子雙轉子盤式永磁同步電機結構
鐵心鐵心
圖8 單定子雙轉子盤式永磁同步電機模型
2．i．2工作原理
雙轉子和單定子構成雙氣隙，電樞無槽無鐵心，
由繞組注塑而成，轉子由高性能永磁材料與鋼板粘
接，N、s永磁磁極交替排列呈Halbacb陣列，主磁路
從一個極出發(fā)，軸向穿過氣隙和與之相對的另一極，
沿軸向穿過轉子軛，再穿過相鄰的磁極和軸向氣隙，
最后沿轉子軛部閉合，
磁路示意圖如圖9所
示?？刂破鞲鶕?jù)位置傳
感器檢測到的轉子位置
信號，觸發(fā)相應的電子
開關元件，給電樞供電， 圖9 磁路示意圖
徑向通電導體在軸向磁場的作用下產生切向電磁
力，驅動轉子旋轉。
2．1．3電機特點
電機的定子鐵心及其繞組夾在永磁轉子中，采
用雙面磁體結構，氣隙密度比單邊磁體密度結構高
10％左右，且可改善極面下磁場分布的均勻性，可以
更充分地利用永磁材料，有利于提高電機性能，縮小
體積，同時轉子旋轉具有風扇作用，有利于電機散
熱。這類電機結構緊湊，在汽車空間有限的條件下
應用有很大的優(yōu)勢。
2．2單轉子雙定子盤式永磁同步電機
電機的永磁轉子夫在兩個定子中問，結構示意
如圖10所示。電機定子采用開槽結構，永磁體安裝
在轉子鐵心表面上，交替排列呈Halbaeh陣列，主磁
通從一個極出發(fā)，軸向穿過氣隙，經過定子齒、軛部
后進入相鄰的氣隙和磁極，然后通過轉子體和相對
的磁極，進入另一側的氣隙，并沿定子的齒、軛經過
氣隙和磁極通過轉子體閉合，其磁路示意圖如圖11
所示。工作原理與單定子雙轉子盤式永磁同步電機
類似。轉子無鐵心，電機的功率／重量密度高，左右
兩邊的定子結構使得電機的散熱面積大。美國
TIMKEN公司研發(fā)的KAMAN盤式永磁電機樣機已
? 墮壁蔓 ??2011．． 里 ???一????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ； ?
應用于電動車輛上。
圖1O 單轉子雙定子盤式永磁同步電機結構
圖1l 單轉子雙定子盤式永磁同步電機磁路
3橫向磁場電機
在傳統(tǒng)電機結構中，磁通通過的齒部和電樞繞
組所在槽占同一截面，槽的寬度與齒部互相制約，如
需流過較大的電流，則需較大的線圈截面，齒的寬度
就會受到影響(飽和作用會使磁通減小)；反之亦
然。如果齒寬和槽寬同時增大，就會增大電機的半
徑，使電機的轉矩密度降低。因此，輸出轉矩難以根
本提高，橫向磁通永磁電機由德國不倫瑞克理工大
學Herbert Weh教授和他
的合作者在1986年提
出，在橫向磁通電機中，
磁力線所在平面垂直于
電機旋轉方向，處于三維
分布，圖12是其示意圖，
I，軸與某個鐵心的中心
圖12 橫向磁通電機示意圖
線重合，電機的旋轉方向在XY平面，而磁通在C型
鐵心中，即磁力線在ZY平面中。
定子由均勻分布的u形定子元件構成，轉子由
永磁體和轉子鐵心均勻分布組成，相鄰的永磁體極
性相反，使得轉子的磁通沿周向從S極指向N極。
定子u型鐵的槽中嵌放線圈，當線圈通電后，定子
元件會產生軸向的磁場，通過定子元件的一個齒部
穿過轉子到達它的另一個齒部，形成回路，圖13是
磁路示意圖。定子的兩個齒部可以看成兩個磁性不
同的磁極。齒部的磁場和轉子中永磁體的磁場相互
作用，使轉子朝一個方向旋轉，每當轉子轉過一個極
磁
圖l3 橫向磁通永磁電機磁路
的距離后，相應地改變線圈中電流的方向，這樣轉子
可以連續(xù)運轉，圖14是橫向磁通電機模型。
定
圖14 雙邊橫向磁通永磁電機模型
橫向磁通永磁電機最大的優(yōu)點是轉矩密度和功
率密度都大，與其它電機力密度的對比如表2所示，
可見它是常規(guī)電機的3～5倍，因為電機中齒槽和電
樞線圈在空間上相互垂直，磁路和電路分離，電流和
磁負荷在空間上不存在競爭，因而定子和線圈的尺
寸在一定范圍內可以任意選取，它的功率密度較高，
在低速時保持高效和大扭矩，適合電動車輛的電力
驅動。丹麥阿爾伯格大學研制的橫向磁通永磁電動
機采用E形鐵心結構，在轉速相對較高的汽車上直
接進行驅動。
表2 各種電機力密度對比
電機類型 力密度／(kN·m ·in。)
直流電機 l5～25
感應電機 20 3O
同步電機 40～6O
水冷感應電機 65(短距時額定80)
橫向磁通電機 80—200
但橫向磁通永磁電機也存在問題，一是結構復
雜，工藝性差，不適于工業(yè)生產；二是功率因數(shù)較低，
最大才0．53，造成驅動系統(tǒng)容量增大。
橫向磁通電機也具有雙定子結構，分為同心式
和并列式。
3．1橫向磁通同心式雙定子電機
結構如圖15所示，電機有兩個定子，兩個氣隙
可以產生更大的轉矩，結合橫向磁通的特點，此類電
機應用于電動車輛上可以獲得很好的輸出性能。
3．2橫向磁通并列式雙定子電機
其結構如圖16所示。并列式左右同軸結構，相
當于兩個c型定子結構的橫磁通電機背靠背放置，
這樣可以有效地利用轉子，并消除了轉子的單邊作
圖15 橫向磁通同心式
雙定子電機結構
電
動
車
輛
新
型
電
機
應
用
分
圖16 橫磁通并列式 析
雙定子電機結構
(下轉第76頁)■
薰
加二極管。
2．2軟件設計
軟件模塊主要包括周期法測轉速模塊、E PROM模塊、按
鍵和顯示模塊。
2．2．1周期法測轉速模塊
金屬接近開關輸入信號經過光耦隔離后，加到單片機
INT1管腳。INT1設置為下降沿觸發(fā)。在第～個下降沿觸發(fā)
INT1中斷的時候，起動定時器Tl，在第二個下降沿觸發(fā)INT1
中斷的時候，關閉定時器T1。兩個的時間差的倒數(shù)就是電動
機的轉速。
void interl()interrupt 2 using 1
{
if(down==0)}
TRI=l；／／起動定時器TI
down=1；／／下降沿標志信號
}else{
down=O：
TR1=0；／／關閉定時器T1
}
}
2．2．2 E PROM模塊
為了保證轉速報警的設置功能，需要程序能實現(xiàn)設置值
掉電保存功能。利用STC89C52單片機內置了2 k的E PROM
特點，可以很容易實現(xiàn)這一功能。需要注意的是，在寫人數(shù)
據(jù)前，需要擦除原來的內容。STC89C52可以按照字節(jié)讀、字
锨持電棚 2011年第8期
節(jié)寫來操作。但是擦除沒有字節(jié)操作的功能，只能扇區(qū)擦
除。扇區(qū)擦除的程序如下：
INT8U sector_ erase(INT16U sector_addr)
{
INT16U get— sector_ addr=0；
get—sector—addr=(sector_addr&amp;amp;OxfeO0)；／／取扇區(qū)地址
ISP_ ADDRH =(INT8U)(get—sector_addr>>8)；
ISP—
ADDRL =OxO0：
ISP— CMD=ISP
—
CMD&amp;amp;0xf8；／／ 11l1，1000
ISP—
CMD=ISP— CMD l SECTOR
—
ERASE— AP— and— Data— Memory—
Command；／／0000，001 1
ISP— IAP— enable()；
ISP_ TRIG=0x46；／／觸發(fā)ISP_IAP命令
ISP_ TRIG=0xb9；／／觸發(fā)ISP—IhP命令
_ hop一()；
ISP—
IAP— disable()；
return OK；
}
3結語
本文設計了一種STC89C52的電動機轉速測量系統(tǒng)，采
用金屬接近開關作為檢測元件，利用測周法計算電動機的轉
速。通過實踐證明，系統(tǒng)運行可靠，測量速度范圍廣。通過
調節(jié)金屬接近開關，可以在5—20 mm的范圍內實時檢測電
動機的轉速。
i(上接第67頁)
用力引起的變形，1997年英國羅爾斯羅伊斯國際研
!究與發(fā)展公司設計了這種橫向磁通電機，用于護衛(wèi)
i艦上。
：
4結語
：
； 綜上所述，雙轉子、雙定子電機在不同磁場方向
； 下，由于自身結構不同使電機呈現(xiàn)不同的特點，徑向
磁通雙機械端口雙轉子電機可以對轉速自由控制形
成無級變速(EVT)，徑向磁通雙轉子、雙定子永磁電
機由于永磁體的Halbach陣列排布，氣隙磁場大幅
i度提高，增大了轉矩。但徑向磁場電機存在渦流損
； 耗、體積大、效率低、散熱性差等缺陷，因此軸向磁場
j電機得到了發(fā)展，盤式永磁同步電機結構緊湊，可以
； 比徑向磁場電機產生更高的功率密度和更大的轉
：矩。不過徑向磁場和軸向磁場電機都存在齒槽競爭
!的關系，限制了電機轉矩密度的根本性提高，因此提
； 出了橫向磁通電機，其電路與磁路分開，從根本上提
高了電機的轉矩和功率密度，并且具有很高的效率，
適合電動車輛的低速大扭矩場電力驅動要求，因此，
； 橫向磁通電機今后在電動車輛上的應用將會得到更
大的發(fā)展。
—? I； 參考文獻
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