车用电机高转矩密度解决方案_设计,技术,电动汽车

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为什么要追求转矩密度

有人可能会问：不是通过高转速已经能实现高功率密度了吗？为什么还要去提转矩密度呢。这是因为高转速也是有缺陷的，而且有些应用场景也不适合高转速。

高功率密度的实现方法分为两条：

一条是提高转速；另一条是提高转矩密度。但提高转速也会带来一系列的代价，比如风摩损耗过高、高速轴承的润滑和寿命问题、噪音问题等等，因此还必须研究另外一条道路，就是提高转矩密度。

提高转矩密度，又有很多方法：

像丰田prius、BMW等玩家是通过提高磁阻转矩比例的方法来获得的。还有一种方法是从控制侧出发，通过谐波注入的方式，把电机3次 5次等谐波产生的谐波转矩也利用起来。最后一条路子就是提高单位体积内的磁场能量了，盘式电机就是这条道路上的一个代表。

为什么选择盘式电机

轮毂电机也有很多种形式，为什么偏要提盘式电机呢，那是因为盘式电机有一系列优势。

为什么是盘式电机

从图中可以看出普通电机的磁场方向是向半径方向发散的，而盘式电机的磁场方向是和转轴平行的。因此盘式电机也叫着轴向磁场电机。

磁场从轴向走，不但磁能密度大，而且交换能量的空间也大，因此电机的转矩密度比径向磁场大幅提高。

国盘式电机的水平

案例一：意大利CsiRO研究所，开发力一款超级扁平的无铁心盘式电机，用在太阳能电动汽车上，虽然功率不高，但本事可大，效率高达97.5%。而且他们采用了一种叫halbach矩阵电机的磁钢设计技术，因此转矩脉动、噪音都很低。

案例二：英国牛津YASA电机的盘式电机可谓登峰造极。其电机转矩大，转矩密度高，被大量跑车应用。想想看把750NM的两台电机直接装在两个前轮上是什么感觉。更疯狂的是四个轮子各装一台，整车有3000NM的转矩，百公里加速时间大于5s都算是非专业玩家。可谓是跑车中的战斗机。

案例三：国内研究车用盘式电机的案例也有很多，创新性比较强的上海大学黄教授开发了一款盘式电机，他采用了SMC材料。并作了样机上车测试，效果很好。如果和齿轮箱连接后，转矩密度可以到12.7NM/kg。

盘式电机要闻

美国最新研制的新一代“福特”级航空母舰（CVN—78）电磁弹射系统采用了盘式电机技术，在该式电机本体重约8.7吨，采用双定子设计，分别处于转子盘两侧。转子旋转速度为6400至5200转每分，一个转子可储存121兆焦能量，输出电源为6相，电压1200V，频率2133Hz~1735Hz的变频交流电，峰值电流高达6400A。

盘式电机的结构

盘式电机有单盘、双盘、复合盘等多种构型。

单一盘式 结构简单，轴向力不平衡、转矩密度不是很大，应用场合不是特别多。

中间转子结构 是带磁钢的转子盘，安装在正中间，两端设置定子绕组铁芯。转矩密度上升了，左右两侧铁芯的磁拉力可以相互抵消的，解决了不平衡轴向力的问题，中间转子结构的另一个优点是绕组和铁芯的散热效率非常高。

中间转子结构几乎成了主要的构型方式，一个主要的原因是，定子和转子的装配比较容易实现高精度定位，图示的一个案例，定子通过焊接直接和机壳地盘相连。

和中间转子结构相对应的是中间定子结构，也叫内定子结构。这种结构两个转子盘在外面，定子在里面。

中间定子结构也是双气隙，也能实现轴向力的平衡，但这种平衡是体现在转子轴上的，单个转子盘本身还是受到单边力的，因此要仔细计算转子盘的轴向挠度变形量，不要出现大的气隙厚度不均匀现象。

中间定子结构有一个独特的优点就是特别适合无铁芯或者薄铁芯结构，但这种结构的一个缺点是定子的定位装配很难实现。

中间定子结构有散热特性不如中间转子结构，因为绕组是主要的发热源，绕组不直接和端盖接触，散热效率很低，容易在盘中堆积热量，因此需要设计额外的内冷风路。

还有一种结构是多盘复合结构，实际上就是中间定子结构和中间转子结构的轴向叠加，这种结构能够提供很大的转矩密度，但装配和设计非常复杂，一般不常用。

盘式电机的磁极

盘式电机的磁极排列非常有意思，比之普通电机有较多的变化。

根据相对两盘面磁钢面对面侧的磁极属性不同，可以分为N-S排列和N-N排列。两种排列的磁场走向是略有不同的，主要是转子轭磁路，N-S排列没有转子轭磁路，如此转子可以做的很薄。因此这是常见的排列方式。

N-N排列的主要缺点是同一转子盘上上下两块磁钢是相斥的，因此装配特别困难，如果要克服这个困难也可以设计成周向NN排列，但这样磁钢的漏磁就比较大，磁钢的利用率比较低。而且 N-N排列的转子厚度较厚，转动惯量大。

同样的中间定子结构也有NS排列，和NN排列两种模式。情况和中间转子结构类似，两种模式的磁场走向也存在有无定子轭磁路的差异。相应的优缺点在图中有述。

盘式电机的绕组

平嵌和竖嵌，平嵌和普通电机的绕组相当。也有集中绕组、分布绕组的区别。另外盘式电机绕组也经常做成无铁芯结构，通过印刷电路板或者塑封的方式做成一个绕组盘面。（如下图右下角所示）

竖嵌绕组是内定子结构特有的一种绕线方式。它直接绕过铁芯的上下两槽。如下图所示。这种绕组的端部很短，工艺非常简单、而且槽满率可以做到很高。

磁势等价的方式理解竖嵌绕组绕组的工作原理，如下图所示，虽然竖嵌和平嵌绕组的端部走向不一致，但只要保证每个槽内电流的方向是一致的，那么绕组形成的势动势形状是一样的，如此可以将竖嵌绕组等价成相应的平嵌绕组。

盘式电机的设计就是由许多个细节组成的，在这篇中，我介绍一个最重要的细节—“如何抑制转矩脉动”。

什么是转矩脉动

转矩脉动指的是，电机在运转过程中，瞬时输出力矩随时间不断变化，但是却围绕某一平均值上下变动的现象。我们一般用波动的峰峰值除以平均值来表征脉动率。转矩脉动越小，则证明电机的转矩平稳性越好，旋转品质越高。

为什么说转矩脉动是盘式电机设计的重要细节呢？这是由两个方面决定的。

影响振动噪音：车用盘式电机以低速大转矩作为主要应用场合，转矩基值大，相同的转矩脉动率，积累的动能波动动也大，很容易引起车辆抖动，振动、甚至出现不可接受的噪音。所以转矩脉动抑制成了车用盘式电机设计的关键任务。

设计难点：

一是因为：盘式电机气隙区域不容易形成正弦磁场，转矩脉动大；

二是因为：为了嵌线方便定子槽口比较大，齿谐波大，转矩脉动大。

三是因为：盘式电机一般做成集中绕组，每极每相槽数少，转矩脉动本来就大；

“直觉法”——如何抑制脉动

关于如何抑制转矩脉动，大家第一反应就是把普通电机的经验拿过来，直接用在盘式电机上，有好多前辈这样尝试过，并取得了一些效果。比如如下几种：

有人对不同槽极比对气隙磁密合转矩脉动的影响作为系统性研究，我们发现不同组合之间的差异是极大的。因此设计盘式电机时，参考前辈们的槽极比选择经验是一个明智的选择。蜗牛将一些设计经验放在上图下侧。

和普通电机一样，极弧系数对转矩脉动的影响也非常大。上图就是一个前辈的研究成果。发现当极弧电角度为137度时，转矩波动值最小。

还有一种方法能够抑制转矩脉动，那就是磁性槽楔。因为槽口过宽盘式电机转矩脉的原因之一，如果设置磁性槽楔相当于槽口变窄。

借鉴传统电机的设计经验，还能想出几种设计方法。但如果没有经过特殊训练，我们凭直觉想到的方法是非常有限的，而且总是零零碎碎。高手不是这样思考问题的，高手是体系化的思考解决方案，其中一种方法就是“细分法”。

“细分法”——如何抑制脉动

细分法就是将引起转矩脉动的原因作出分类，然后针对每一种原因，分别给出对策，如此就能获得无遗漏，无死角的解决方案，这就是MECE法则。

引起转矩脉动的原因大致可以分为三类

齿槽转矩： 因为定子开槽影响，出现随位置周期性磁阻变化现象，永磁转子磁势经过这些位置时，磁场发生大小交变，从而产生出转矩。齿槽转矩为轻载时转矩脉动的主要贡献者，严重时甚至会引起车辆抖动噪音。
非正弦反电动势：由于电枢绕组中感生出的反电动势中包含基波之外的谐波成本，相当于包含了若干台谐波电机。这些谐波电机也会产生转矩，不过和基波电机的转矩频率不一致。谐波转矩叠加在基波转矩之上，就会形成转矩脉动。
控制侧原因：控制器中由于包含了PWM高频谐波和其它谐波电流，也会产生相应的谐波转。

1 如何优化齿槽转矩

优化齿槽转矩能够明显降低盘式电机的转矩脉动，是盘式电机设计的一个重点。一般有如下几种方法能够有效：

盘式电机普通的磁钢形状如上图左上部分所示，是一个扇形面，这种磁极叫等极弧磁钢。有许多前辈通过修改磁钢的形状达到降低齿槽的目标。最常用的一种是圆形磁钢，另一种是正弦修形磁钢，其磁钢在每个半径截面上的极弧系数是不一致的。这两种修形方式都能达到好的效果。它们能够起作用的原理可以这样理解：

把一台电机沿半径方向裂解成N个单元电机，最里面的电机最小。如果是等极弧的普通形状的磁钢， N个单元不过是等比例放大的关系，每台电机的齿槽转矩波形是幅值不同，相位相同的。N个单元电机转矩相加就是幅值代数相加。如果能够把每个单元电机转矩的相位错开一点点，那么合成的转矩是矢量相加，幅值肯定会小于代数和。无论是圆形还是正弦系数都是为了达到“错相位”的效果。

另外一种磁钢修形的方式是在磁钢边缘形状做文章，比如下图将磁钢边缘倒一个r圆角，或者在修成圆弧形状。都是为了达到类似的错相位效果。有人对修形的宽度做了研究，发现如果修形宽度w和定子槽口宽相同时，能够达到最佳的齿槽转矩抑制效果。

除了修改的磁钢形状，还可以通过斜极的方法达到同样的“错相位”效果。

其中一种是传统斜极，就是简单的将一块磁钢按某个方向倾斜一个电角度。有前辈作过系统性研究，发现当倾斜的角度和槽口极弧角相等时，能够达到最佳的齿槽转矩抑制效果，大概将转矩降为不斜极的48%。

如果还要进一步的降低转矩脉动就需要更复杂的做法。其中一种叫双斜极法，有两种方式实现双斜极，一种是磁极先沿一个方向倾斜，然后再沿另一方向倾斜。有前辈做过研究，通过双斜极能够在普通斜极的基础上，再降40%的齿槽转矩。

如果说单块磁钢斜极是“单极错相位”，那么相对应的就有一种“极间错相位”。有前辈就受此启发，发明了一种不均匀磁钢布置形式，如下图所示，8块磁钢分为4组，组与组之间间距不均匀。这样在周向方向上，相当于裂解出了4台单元电机，每台电机的转矩相位都不同，合成的总齿槽转矩自然下降。因为这种结构不但实现了“单极错相位”同时还实现了“极间错相位”。所以齿槽转矩可以降到最低，只有普通斜极14%，不斜极结构的2.7%。