2.3 磁齿轮复合电机

为提高电机系统功率密度，很多领域通常采用高速电机经高变比齿轮箱减速的动力系统结构方案，然而，如2.1节所述，机械齿轮箱通过齿啮合实现能量的传输，将不可避免地产生机械噪声、磨损和维护等问题。因此，采用磁齿轮代替机械齿轮，并通过将磁齿轮与电机巧妙地结合，组成结构紧凑的磁齿轮复合电机，是兼顾高速电机高功率密度和实际应用低速运行需求的有效手段之一。目前，磁齿轮复合电机的潜在应用主要包括电动汽车、风力发电、海浪发电和机器人关节伺服电机等领域，具有转矩密度高、运行效率高、低噪声和免维护等优点。

2.3.1 磁齿轮复合电机拓扑结构

作为一种新型的直驱电机解决方案，磁齿轮复合电机最早由中国香港大学的Chau K. T.教授于2007年提出^［23］，其截面结构如图2-20所示。该电机巧妙地将一台高速外转子永磁无刷电机内置到一台径向充磁表贴式FMMG内部，二者共用内转子，形成一种复合式结构。将该复合电机以内转子为界分开来看，内部是一台高速永磁无刷电机，外部则是一台FMMG，这种简单的组合解决了电机高速设计和外转子低速直驱的矛盾。不难看出，该复合电机具有三层气隙和两个转子，机械加工较为复杂，而且内外转子总共需要表贴三层永磁体，成本较高。

基于FMMG的磁场调制原理，直接用定子电枢绕组代替FMMG的高速内转子，即用定子电枢电流产生的旋转磁场来等效代替高速内转子永磁体产生的旋转磁场，保持导磁铁块和外转子结构不变，原来的FMMG则可转换成一种新型的磁齿轮复合电机^{［24，25］}，其截面结构如图2-21所示。与三层气隙磁齿轮复合电机相比，这种转换得到的磁齿轮复合电机仅有两层气隙，结构相对简单，而且仍满足定子绕组磁场高速设计和转子低速直驱的性能要求。两层气隙磁齿轮复合电机仅有一层永磁体，磁场却要穿越两层气隙进行能量的传递，所以电机转矩密度会受到一定影响。不难发现，由于两层气隙磁齿轮复合电机中的导磁铁块与定子均静止，所以可以将二者之间的内气隙去掉，使定子和导磁铁块连接在一起，从而形成仅具有一层气隙的磁齿轮复合电机，其截面结构如图2-22所示。

相比两层气隙磁齿轮复合电机，一层气隙磁齿轮复合电机的结构更接近传统的永磁电机，但是其工作原理与传统永磁同步电机有本质不同。事实上，图2-22所示一层气隙磁齿轮复合电机的工作原理与游标永磁电机的工作原理相同，游标永磁电机是一层气隙磁齿轮复合电机的一种特殊结构形式。当导磁铁块数和定子齿数相同时，一层气隙磁齿轮复合电机即为定子开槽式游标永磁电机^［26］；当导磁铁块数是定子齿数的整数倍时，一层气隙磁齿轮复合电机即为定子裂槽式游标永磁电机^［27］。基于一层气隙磁齿轮复合电机和游标永磁电机的工作原理，即FMMG的场调制原理，可以将二者统称为场调制永磁电机。

2.3.2 磁齿轮复合电机比较分析

虽然上述三种磁齿轮复合电机自提出以来吸引了不少学者的研究，但是未见有关于三者之间定量比较的报道。本章参考文献［28］提到的三层气隙磁齿轮复合电机的尺寸参数模型和设计分析方法，借助二维有限元方法，对上述三种磁齿轮复合电机分别进行了优化设计，然后将仿真结果进行了比较分析，得出了一些具有参考价值的结论，为场调制永磁电机的进一步深入分析研究奠定了基础。

对比分析时，三种磁齿轮复合电机采用相同的外径、轴长和气隙厚度，并与文献［28］中所设计的三层气隙磁齿轮复合电机样机的相关尺寸参数保持一致，以便利用该文献中的实验数据验证本节仿真分析方法的正确性，提高对比分析的参考价值。表2-4列出了三种磁齿轮复合电机关键设计参数和性能比较结果。对比分析表2-4中的数据可知，在电机外尺寸和转子旋转速度相同的情况下，一层气隙磁齿轮复合电机具有最高的功率输出能力。虽然三层气隙磁齿轮复合电机也可传递较高的功率，但是其结构复杂，而且在内、外转子上总共需要表贴三层永磁体，磁钢消耗量大，制造成本高。由于减少了一层气隙，磁路磁阻变小，使得一层气隙磁齿轮复合电机永磁体用量相比两层气隙磁齿轮复合电机减少约20%。此外，表2-4中数据还表明，从电机单位质量传递的转矩能力来讲，一层气隙磁齿轮复合电机和三层气隙磁齿轮复合电机基本相同，比两层气隙磁齿轮复合电机高25%左右；从单位体积永磁体产生的转矩来衡量，一层气隙磁齿轮复合电机占有明显优势，而且其结构简单，性价比最高。

图2-23所示为三种磁齿轮复合电机的空载磁场分布情况，对应的定子外径处径向磁通密度波形如图2-24所示。空载磁场分布表明，虽然外转子永磁体极对数为22，由于导磁铁块的磁场调制作用，两层气隙和一层气隙磁齿轮复合电机的定子磁场分布均与3对极传统永磁同步电机相同，所以，定子绕组可按3对极进行绕制。图2-24a所示，三层气隙磁齿轮复合电机内气隙径向磁通密度波形与普通永磁同步电机相似，表明该结构中外部磁齿轮产生的永磁磁场对内嵌的永磁电机磁场分布影响很小。由于永磁体用量减少和磁场调制作用产生有效谐波磁场，两层气隙和一层气隙磁齿轮复合电机定子外径处径向磁通密度比三层气隙磁齿轮复合电机小得多，所以在相同的电频率条件下，若要产生相同的相电压幅值，两层气隙和一层气隙磁齿轮复合电机需要采用更多的相绕组匝数。为此，常采用深槽结构，以便增加定子槽面积来嵌入更多的电枢绕组，实现最大的功率传递能力。然而，过多的相绕组匝数不但会增加相绕组电感、产生无功损耗、降低功率因数，还会增加绕组电阻、增加铜耗、降低效率，这也是磁场调制电机设计时需要关注和解决的问题。

图2-25所示为定子三相分布绕组联接方式，三相对称绕组包含27个双层线圈，由于定子极距为槽距的4.5倍，所以线圈跨距为4个定子槽距。图2-26所示为仿真得到的三种磁齿轮复合电机的三相空载感应电动势波形，虽然采用相同的分布绕组联接方式，但是图2-24a所示的三层气隙磁齿轮复合电机的内气隙径向磁通密度波形近似180°方波，由此感应出的相电动势波形为梯形波（近似120°方波），如图2-26a所示。而基于磁场调制原理工作的两层气隙和一层气隙磁齿轮复合电机的相感应电动势波形则为正弦波，这也是此类场调制电机所具有的一般特性^［29］。所以从电机控制的角度来讲，上述三层气隙磁齿轮复合电机更适合采用120°导通的无刷直流控制策略，而两层气隙和一层气隙磁齿轮复合电机则更适于无刷交流控制。图2-27所示为采用上述控制方法，三种磁齿轮复合电机负载时的外转子电磁转矩波形。由于三层气隙磁齿轮复合电机的相电动势波形并非规则的120°方波，而是近似梯形波，所以加载与相电动势同相位的120°方波电流时，得到的外转子电磁转矩脉动较大。因此，为了实现较好的动态性能，三层气隙磁齿轮复合电机需要采用更为复杂的控制方法（如谐波电流注入法^［30］）。相较而言，两层气隙和一层气隙磁齿轮复合电机加载时的电磁转矩脉动则很小，与两层气隙磁齿轮复合电机相比，一层气隙磁齿轮复合电机由于气隙数减少一层，磁路磁阻的减小使得定子电枢反应磁场和转子永磁体产生的气隙谐波磁场之间的相互作用增强，从而导致一层气隙磁齿轮复合电机加载时的电磁转矩脉动比两层气隙磁齿轮复合电机略有增加。

图2-28所示为仿真得到的三种磁齿轮复合电机转子定位力矩波形，对比分析可见，三种磁齿轮复合电机外转子所受定位力矩均很小，但是三层气隙磁齿轮复合电机内转子所受定位力矩较大。图2-29对三层气隙磁齿轮复合电机内转子定位力矩的组成进行了分析，其中曲线1表示直接利用有限元方法计算得到的内转子所受定位力矩；曲线2表示仅外部磁齿轮作用下的内转子定位力矩；曲线3表示仅内嵌电机作用下的内转子定位力矩；曲线4表示由曲线2和曲线3相加计算得到的内转子总定位力矩。

图2-29表明，上述三层气隙磁齿轮复合电机内转子定位力矩主要由内嵌电机的定子齿槽变化引起，而外部磁齿轮在内转子上附加产生的定位力矩相对小很多。对于三层气隙磁齿轮复合电机而言，内转子作为高速转子传递的电磁转矩较小，所以较大的内转子定位力矩会影响该电机的动态性能。此外，根据定位力矩波形周期还可以得出如下结论：在三层气隙磁齿轮复合电机中，内（外）转子定位力矩周期仍由定子齿数（导磁铁块数）和内（外）转子极数的最小公倍数决定；而在两层气隙和一层气隙磁齿轮复合电机中，转子定位力矩周期取决于导磁铁块数和定子齿数的最大公约数与转子极数之间的最小公倍数。