双定子锥形永磁同步轮毂电机理论及实用技术研究

在综合分析国内外电驱动用永磁轮毂电机的基础上，本项目从提高永磁电机低速转矩性能和高速弱磁能力角度出发，提出新型双定子锥形永磁轮毂电机的研究课题。该课题综合考量永磁电机的低速大扭矩和宽恒功率区这一设计难点，充分利用轮毂电机较大的内部空间，将双定子设计思想和锥形转子方案有机结合，在低速大扭矩区，内外两个定子同时作用，有效提高电机转矩；在恒功率区，利用定子电流对锥形转子轴向磁拉力的作用，控制定子电流的直轴分量，使得电机转子产生轴向位移，增加气隙长度且减小定转子共同作用空间，从而达到减少气隙磁通的目的。本课题对不同定子组合形式、不同转子结构形式、不同通电状态、不同轴向位移及不同锥度角变化等对电机转矩转速特性的影响开展理论分析、数值计算和实验研究。该项研究工作是电气工程学科以及能源和交通领域的前沿课题，为电传动用宽速域大扭矩轮毂电机研究提供新思路，研究成果对学科的发展起到积极的促进和推动作用。

在综合分析国内外电驱动用永磁轮毂电机的基础上，本课题从提高永磁电机低速转矩特性和高速弱磁能力的角度出发，提出了新型双定子锥形永磁轮毂电机的研究方案。综合考虑永磁电机低速大转矩和宽恒功率区这一设计难点，充分利用轮毂电机较大的内部空间，外定子和转子外圆采用常规的圆柱形结构，主要输出电磁转矩；转子内圆和内定子采用锥形结构，主要输出轴向力，辅助输出电磁转矩。在低速大转矩区，内外两个电机共同作用，能够有效的提高电机的转矩输出能力和功率密度，本课题设计的双定子电机较相同体积的单定子电机转矩增大20%左右；在恒功率区，利用锥形电机轴向磁拉力和轴向平衡装置的相互作用，使电机转子产生轴向位移，增加气隙长度，减小定转子间的有效耦合面积，减小气隙磁通量，达到弱磁扩速的目的。. 本课题对不同的定子组合形式、不同的转子结构形式，不同的通电状态、不同的转子轴向位移，以及锥角变化等参数对电机的转速转矩特性和弱磁扩速能力的影响进行了深入研究，开发了锥形电机电磁设计路算程序，建立了三维有限元仿真模型和分段式的二维简化模型，制造了单定子永磁锥形和双定子永磁锥形电机两台样机。理论分析、仿真计算和实验研究中发现，分段数大于等于3时，二维简化模型基本可以满足工程设计的精度要求。根据作用机理和变化规律不同，锥形电机的轴向磁拉力可以分解为锥角力和正位力，通过改变锥角的大小来调整二者的比例分配。直轴电流可以近似线性的影响轴向磁拉力的大小，而交轴电流对轴向磁拉力几乎没有影响；不论锥角的大小，锥形电机的转子轴向位移为零时，具有与同等体积圆柱形电机相同的转矩输出能力，完全胜任低速大转矩的要求。锥形电机不需要直轴去磁电流进行弱磁控制，仅依靠转子的轴向位移即可实现恒功率运行，且锥角或轴向位移越大，恒功率范围越宽，最高转速越高。但过大的锥角和轴向位移会增加电机径向和轴向的尺寸，降低整机的功率密度。. 本课题是电气工程学科和能源、交通领域的前沿课题，为电驱动用宽速域大转矩轮毂电机的研究提供了新思路，研究成果必将对学科的发展起到积极的促进和推动作用。