起動(dòng)／助力／發(fā)電一體化新型永磁電機(jī)

    計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

    貢亞麗¹，王文明²，張好明¹

    (1．蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州215021；

2蘇州工業(yè)園區(qū)松下電器研究開發(fā)(蘇州有限公司)，蘇州215123)

摘要：起動(dòng)／助力／發(fā)電一體化系統(tǒng)汽車系統(tǒng)要求電機(jī)高效，高功率密度，低脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。Hal—bach電機(jī)是一種新型永磁電機(jī)。獨(dú)特的永磁體結(jié)構(gòu)不僅使其磁極磁場呈正弦分布，而且還可以增加氣隙磁通密度，削弱轉(zhuǎn)子軛部磁通密度，這使得在提高電機(jī)的功率密度的同時(shí)，又可以減小電機(jī)的體積，提高電機(jī)的效率。首先編寫了Halbach電機(jī)和普通永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)軟件，然后利用ANSYS自帶語言編寫了兩種電機(jī)的有限元分析軟件，在此基礎(chǔ)上對所設(shè)計(jì)的Halbach電機(jī)和普通永磁電機(jī)進(jìn)行了研究。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明Ha[bach電機(jī)在一體化系統(tǒng)中的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：起動(dòng)／助力／發(fā)電一體化系統(tǒng)；Halbach陣列；永磁電機(jī)；有限元分析；電機(jī)設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)

O引  言

    在普通燃油汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，起動(dòng)及發(fā)電功能分別由起動(dòng)電機(jī)和發(fā)電機(jī)兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)完成，往往需要獨(dú)立地研制、優(yōu)化、裝配和維護(hù)。實(shí)際上，起動(dòng)電機(jī)只在起動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)工作，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至怠速以上就和發(fā)動(dòng)機(jī)脫離并停止工作，而發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)之后才開始工作。這兩套機(jī)組工作時(shí)間并不重疊，造成了系統(tǒng)利用率的下降，并增加了器件所占用的體積。起動(dòng)／助力／發(fā)電一體化系統(tǒng)(Integrated Started AlternatorDamper System，簡稱ISAD系統(tǒng))是近年來應(yīng)用于汽車架構(gòu)中的一種新技術(shù)，可以很好地克服上述缺點(diǎn)。

  該系統(tǒng)除了提供附加的起動(dòng)／停止功能，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的即起即停，避免怠速工況，還能使再生制動(dòng)成為可能。系統(tǒng)再生制動(dòng)時(shí)將獲取汽車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量，通過直流變換器幫助能量吸收系統(tǒng)充電，而此能量又可以在汽車起動(dòng)和加速時(shí)通過直流變換器向汽車提供能量，在需要的時(shí)候還可以對發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩進(jìn)行助力，使得系統(tǒng)工作效率更高，輸出電能更大，明顯地減少了汽車能量的消耗、尾氣排放和噪音[1]。在這個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，由于能量的頻繁交換，則對電機(jī)提出了較高的要求。

    異步電機(jī)體積笨重，而且無論低速還是高速，其效率都很難滿足高效混合動(dòng)力系統(tǒng)要求；開關(guān)磁阻電機(jī)體積和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，噪聲較大；傳統(tǒng)稀土永磁電機(jī)雖然體積較小，低速時(shí)效率很高，但在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受轉(zhuǎn)子渦流損耗影響導(dǎo)致效率大大降低，很難滿足系統(tǒng)高效要求。在這種情況下，尋求一種新型電機(jī)是非常重要的。

1 HaIbach電機(jī)

    IsAD系統(tǒng)和Halabch電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

相對于普通永磁同步電機(jī)，Halbach電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

  ①正弦磁極磁場。HaIbach電機(jī)****的特點(diǎn)就是其磁極磁場呈正弦分布。這一點(diǎn)是由其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。一般情況下，在永磁電機(jī)中，永磁材料都是離散分布，如果改變磁鐵的分布而形成平面集中分布的話，便得到了Halbach平面陣列。圖3是利用有限元分析后得到的平面H aIbach陣列的磁場分布圖。

    如果改變永磁材料的分布而形成環(huán)面分布的話，便得到了Halbach陣列。

    Halbach列在柱坐標(biāo)系可表示為：

    θm=(1 p)8    (1)

式中， 為永磁體每點(diǎn)磁化方向；目為任何一點(diǎn)離開極軸的角度；p為電機(jī)的極對數(shù)；“+”外轉(zhuǎn)子時(shí)使用；“一”內(nèi)轉(zhuǎn)子時(shí)使用

式中，為徑向單位矢量；e0為切向單位矢量。

  如果把每極永磁體均分為n個(gè)寬度相等且為無窮小的永磁體系列，取n個(gè)永磁體系列的徑向分解值，則這些分解值疊加可以組成一個(gè)正弦磁場。此正弦磁場有利于減少電機(jī)的磁場諧波，改善電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能。

    ②氣隙磁通密度大。Halbach陣列的另一特點(diǎn)也可以從圖3的有限元分析中看出：磁極磁場的大小在永磁材料的一邊大幅度提高的同時(shí)，而在另一邊卻大幅度地降低，形成了一種特殊的單邊磁場，如果在永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中利用其這一特點(diǎn)，使得在永磁材料體積不變的條件下，電機(jī)氣隙磁通密度增大，則有利于減少電機(jī)的體積，符合ISAD汽車