本文研究的軸向磁通永磁同步電機用于純電動客車，針對該電機的工作特點及設計指標，從永磁電機定子、繞組、永磁體結構等方面進行分析，采用Ansys/Maxwell有限元分析軟件建立了該電機的三維有限元分析模型，對其電磁特性進行了分析。根據設計參數制作出樣機，并進行試驗，結果表明：該電機的設計方案合理，電機各項性能滿足設計要求。

1 軸向磁通電機結構介紹

軸向磁通永磁同步電機因其具有軸向的磁通方向，從而決定了其結構不同于普通的徑向電機，軸向磁通電機具有小體積、低噪音、高轉速、高功率密度、優良的散熱性能等諸多優點。軸向磁通電機結構簡圖如圖1所示。

圖1 盤式電機典型結構

軸向磁通永磁同步電機根據轉子數量、相對位置及主磁路分類，其結構可分為四類：單定子單轉子結構、雙定子單轉子結構、單定子雙轉子結構及多盤式結構。

為了滿足整車安裝要求，結合電機性能參數要求，本文采用中間單轉子雙定子結構，該結構可更好滿足電機性能，同時獲得最小轉動慣量和最優的散熱條件，且中間轉子由于雙定子對稱結構將受到兩個相互抵消的磁拉力，提高軸承使用壽命，減少電機的機械損耗，有利于電機的穩定性，非常適用于電動汽車這種頻繁啟動場所，雙定子都可以形成旋轉磁場，可提高電機的電負荷。雙定子單轉子的軸向磁通電機結構簡圖如圖2所示。

圖2 雙定子單轉子軸向磁通電機

2 軸向磁通電機電磁方案設計

2.1 電機技術要求

該軸向磁通的電機工作性能指標如表1所示。

表1 電機性能指標

2.2 電機主要尺寸確定

針對該軸向磁通永磁同步電動機，首先確定電機定子鐵心外徑D和軸向長度La，根據相關資料介紹，軸向磁通電機主要尺寸之間的關系：

(1)

式中,PR電機額定輸出功率。Kφ=Ar/As轉子與定子的電負荷比值(轉子無繞組時，Kφ=0);m、m1為電機總相數和單個定子相數;KeEMF因數;Ki電流波形因數;Kp功率波形因數;η電機效率;Bg氣隙磁密;A總電負荷;f逆變器頻率;p電機極對數;Do、Dg、Di電機外徑、氣隙直徑、內徑;KL=Do/Le軸向磁通電機寬高比;Le電機有效長度;λ=Di/Do軸向磁通電機直徑比。

電機結構尺寸可以通過式(1)計算得到。

2.3 電機主要材料選型

不同永磁材料在電機內部產生不同勵磁磁場，進而影響電機輸出性能。常見永磁電機永磁材料選擇為釹鐵硼和釤鈷，釤鈷磁性能較釹鐵硼低。

考慮到該軸向磁通永磁電機定子采用水冷結構，溫度可以得到控制，因此永磁體可以選擇磁性能更好的釹鐵硼永磁材料。

2.4 永磁體結構設計

永磁體的形狀不但影響電機的輸出轉矩和齒槽轉矩等性能參數，同時還影響電機的成本、工藝等因素。軸向磁通永磁電機相對徑向式永磁電機而言，永磁體的加工相對容易，且常常改變磁極的參數來提高電機的性能。

根據永磁體結構的不同，軸向磁通電機可以分為：不等比例扇形結構、矩形結構、等比例扇形結構、圓形結構、Halbach永磁體排列結構、其它特殊的形狀例如直角梯形。具體結構如圖3所示 。

圖3 不同形狀的永磁體

永磁體的結構，在一定程度上決定了電機的性能。文獻[10-14]中分析了不同形狀的永磁體對齒槽轉矩產生的影響，并進行了分析對比。文獻[15]給出了前3種形狀的永磁體，對軸向磁通電機氣隙磁密的影響，從工藝上介紹了不同形狀的永磁體加工的難易。

永磁體結構力求簡單，容易制造與裝配，達到電機性能的同時利用率要高，考慮到本次設計電機效率、噪音要求較高，為了減小漏磁產生損耗以及盡量低的齒槽轉矩和轉矩波動，采用扇形雙向斜極的永磁電機結構，這樣也便于電機結構參數優化，提高電機輸出性能。

2.5 永磁體厚度選擇

永磁體磁化方向長度依據電機磁動勢平衡關系預估初值，然后在Ansys/RMxprt中進行具體電磁計算校驗；使得電機空載工作點滿足式(2)要求。

Bg=(0.6～0.8)Br  (2)

式中，Br為永磁體剩磁密度。

此外磁化長度的大小影響電機抗去磁能力，因此還需考慮電機最大過電流時的去磁能力，確定永磁體最終磁化長度。

2.6 定子沖片的設計

由于電機轉速相對較低，定子鐵心磁場頻率不高，為降低電機制造成本，定子沖片采用厚度為0.35mm、50WW310硅鋼帶。電機槽數選擇為24槽，定子沖片槽形選定主要考慮因素：首先滿足定子繞組線圈電流密度和熱負荷在限制之內，定子槽設計有充足的截面積，其次槽滿率不能太高，要協調考慮線下工藝要求，最后結合機械強度和工藝限制選擇合理軛高和齒寬。

3 電機模型的建立

綜合考慮電機設計技術要求及工作特點確定電機電磁方案參數，如表2所示。

表2 電機主要參數

根據表中的參數在Ansys軟件中RMxprt模塊、建模，然后將其轉化為Maxwell 3D模型。利用有限元的方法，進行三維瞬態磁場的分析，由于三維仿真時間較長，為縮短分析時間，基于電機模型對稱性，本文采用1/8模型進行分析，并適當進行網格剖分，圖4為所設計電機的仿真模型。

圖4 電機仿真模型

4 電機有限元分析

4.1 電機磁場分析

等磁路法對電機磁場建模時忽略了電機槽形、磁飽和等因素，與電機實際工作特性有差別。因此需要采用電磁場數值計算方法對磁場進行分析，電機在額定轉速5600r/min，輸出轉矩為61.4N.m時電機磁力線及磁密云圖分布如圖5、圖6所示。

圖5 電機磁力線分布

圖6 電機磁力云圖分布

由電機內部磁場與磁密分布可知，電機定子、轉子、氣隙之間形成了閉合的磁鏈，定子齒部磁力線分布分布較密，有少數的磁力線在極間、氣隙處產生漏磁；電機內部最大飽和磁密為1.53T，定子采用硅鋼帶材料，其飽和磁密為1.6T，未達到飽和。

4.2 氣隙磁密分析

采用有限元法對電機沿軸向方向的氣隙磁密進行求解，如圖7所示。徑向氣隙磁密波形近似于正弦波，幅值為0.59T，圖中不規則的缺口畸變是由定子開槽氣隙磁導不均勻導致。

圖7 電機氣隙磁密3D分布

4.3 空載反電動勢分析

空載反電動勢波形對電機設計有重要參考價值。在額定轉速下求解出電機空載反電動勢如圖8所示。直觀看出該電機空載反電動勢具有較高的正弦分布，同時對其進行FFT分析，諧波含量較少，這表明電機設計斜極繞組、槽極參數的合理性。

圖8 電機反電動勢波形

4.4 齒槽轉矩分析

無論徑向式還是軸向式磁通永磁電機，都存在一個齒槽轉矩，即電機中的磁極與定子槽之間相互作用會產生一個轉矩脈動，它影響電機低速時的轉矩質量、噪聲及其整個的運行性能。近期國內外眾多學者針對軸向磁通永磁電機齒槽轉矩的抑制技術做了一系列的研究工作，主要為斜極、斜槽、極弧優化、不等氣隙、不同極弧配合、極槽配合和永磁體相對位置對其的影響。該電機轉子磁鋼設計為雙向斜極抑制電機齒槽轉矩。在Ansys軟件中借助瞬態求解器，將電機轉速設置為1r/min，同時加密電機各部分的網格，另外為確定最佳斜極角度，對磁鋼斜極角度進行參數化掃描，最終求得最小電機齒槽轉矩如圖9所示，電機齒槽轉矩的峰峰值僅為1.58Nm。

圖9 電機齒槽轉矩

4.5 電機額定負載性能分析

實際工作時，電機額定轉速5600r/min，在Ansys軟件中采用電流源激勵，求得電機輸出轉矩波形如圖10所示，可得該工作點的平均轉矩為61.2Nm。

圖10 電機額定轉矩

5 樣機試驗與仿真對比分析

根據理論計算結果得出電機參數制作出物理樣機，如圖11所示。該電機由控制器和電機本體組成，該樣機在試驗臺上測試，結果如表3所示，性能指標達到設計要求。

圖11 電機試驗圖

表3 樣機試驗數據

另外測試得到電機不同工況下的效率map圖如圖12所示，電機最大效率達到94.2%。

圖12 樣機效率map測試結果

6 結 論

本文針對新能源汽車用軸向磁通永磁同步電機，設計轉速為5600r/min、額定輸出轉矩為61Nm的單轉子雙定子軸向磁通電機。基于等效磁路法確定電機基本尺寸，采用電磁場三維有限元分析方法對電機電磁場、氣隙磁密、齒槽轉矩進行分析計算，計算結果符合電機設計要求。最后對樣機試驗負載特性數據與有限元值進行對比，一致性滿足要求，驗證有限元仿真結果可靠性，該軸向磁通永磁同步電動機已經應用在某新能源汽車中，該項目的研究為軸向磁通永磁電機在汽車驅動電機領域的設計開發提供一定參考價值。