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原文：：《Development of a Yokeless and Segmented Armature Axial Flux Machine》——B. Zhang, T. Seidler, R. Dierken, and M. Doppelbauer. 本文深入研究了无轭分块定子轴向磁通电机的结构设计和分析。 【摘要】本文主要关于无轭分段电枢结构（YASA）轴向磁通永磁同步电机的结构设计和分析，这款电机是由两个外转子和一个内定子组成。尽管这种新型电机有诸多好处，如高转矩密度、极短的轴向长度、高效率，但其机械结构设计和制造依然是很大的难点。这主要由于定转子之间很高的轴向力，这个力还可能因为制造和装配过程中不可避免的进一步增加。本文基于确定的电磁元件相关尺寸提出一种可靠的盘式电机结构，随后其应力、变形、热和模态分析都是基于有限元方法。最终第一款样品成功被制造和测试，结果表明所提到的结构是可靠的和测试数据很好的与电磁分析结果匹配。 【关键词】轴向磁通电机，有限元分析，有限元方法，机械设计，软磁复合材料，热分析，无轭分段电枢结构。 1.介绍 由于过去几十年材料科学的快速发展，具有高能量密度的永磁材料的出现使传统电机的性能表现有了质的飞跃。此外，基于新开发的材料得到了许多新的拓扑结构的电机，比如软磁复合材料，已经显示具有很高的电阻率和各向同性【1】-【5】。KIT电机工程学院在研究项目“基于软磁复合材料的新型电机概念和分析”中提出了SMCs的电机未来应用领域，尤其是在电动车与混动车中。 与传统的径向磁通电机相比，轴向磁通电机有许多突出的优势，比如高转矩密度、短小的轴向长度和高效率区间【6】-【12】。基于一个详细的电磁分析和多种电机拓扑结构的对比，结合特殊要求的电机尺寸、永磁体模块、控制器最大电压电流限制，提出一种最适用SMC的双层集中绕组的无轭分段电枢轴向磁通电机【13】-【17】。这种拓扑结构由两个转子和一个内定子组成，内定子是由多块独立的块组合而成。由于定转子间复杂的结构和很高的轴向力（该轴向力可因不对称的气隙进一步增大），电机的制造变得非常有挑战性【18】-【23】。为了验证开发的结构，应力和变形分析、热和模态分析都是不可缺少的。 本文中将介绍这种YASA电机拓扑结构和SMC材料特点，基于详细的电磁分析得到电机确定的参数【28】-【34】。接着，探讨电机结构和定转子分析。要明确的是永磁体是贴在转子轭部表面的，因此会有大量的环流和热量产生【35】-【37】。对于永磁体的粘结，需要选择一种能承受电机压力和要求温度的粘结剂。再者，考虑可能的高的轴向力研究轴承的选型和分析。基于上述的开发步骤，整个电机的热和模态分析也同时进行。考虑到这个复杂的结构，耦合的热和流体动态分析采用基于电磁分析中的计算损耗来计算空气流场和温度场【38】-【39】。通过有限元分析可得到上述的电机结构是有效和可靠的。最后，制作了一台样机和在自行研制的测试台进行了测试，测试结果很好的与电磁分析匹配。 2.YASA 和SMC 与传统径向电机不同，轴向磁通电机的磁通是通过轴向的气隙流转，这就产生了非常不一样的特点。目前有多种拓扑结构的轴向磁通电机，但是一个定子两个转子和两个定子一个转子的结构是最受追捧的两种电机，通常也被称为盘式电机和内转子的轴向磁通电机。内转子的电机磁钢用量较少但是绕组铜线更多，而内定子的电机主要考虑空间限制情况下采用，但这种就要更多考虑机械的鲁棒性和转矩体积比。 新开发的无轭分段电枢结构（YASA）电机可以认为是传统盘式电机的改进版，传统的是定子轭部需要传导磁通。YASA是由两个表贴磁钢的外转子和一个多段集中绕组成的内定子组成，如Fig.1所示。 与其它的拓扑结构相比，YASA结构具有多个优势。首先，短端部高度的集中绕组可以有高槽满率和低铜耗，其次，当尺寸被限制时，其气隙范围更大。再者，降低相间互感提高了每相独立性和容错能力。最后，由于没有定子轭部，定子重量和铁损明显降低和效率提高。 SMC材料用于制造这些部件来改善现有的转子轭部和定子分段处的3维磁通情况。SMC材料是包含许多微小的表面绝缘的铁磁颗粒，预合金或纯铁粉首先与绝缘材料混合，绝缘材料可以是有机的、无机的或者这两个组合，然后加入其他的如粘结剂和润滑剂。混合物经一步完成压实后热处理形成一个复杂形状的各向同性的成分。正因为特殊的结构，SMC的机械及电磁性能均比普通硅钢片要低。 采用瞬态分析法探讨了YASA电机性能，其永磁涡流损耗也可被考虑。基于详细的电磁分析，文献【40】根据要求提出了这个电机参数如tab.1所示。 由于在低频区SMC的高磁滞损耗影响，YASA的空载磁通密度会保持在比较低的水平。一个带有小箭头的局部磁通密度的极对数模型和相应的无电负荷的磁通密度大小的模型在fig.2显示。永磁体的极性用红和绿区别。 值得注意的是，在现有转子位置下，与永磁体对齐的定子段的磁通密度高于其他两段，也就是说永磁体磁通正通过这部分定子段。通过增大定子段的截面积可降低磁通密度从而会产生一个不可接受的高电负荷。 磁钢通过斜极可降低转矩脉动【41】【42】。因此，为了避免应力集中和高的磁饱和，重点应放在在定子分段设计上。Fig.3显示了转子和定子段结构。 3.定子结构和分析 本节主要介绍定子结构和分析。首先，先介绍主要的难点和最终结构，其次是应力分析。 A. 机械结构 定子包含了三个主要的次级结构：1）支撑定子段的系统；2）水冷系统；3）分配三相电流的电气系统。第一次级系统要精确的定位定子段和确保自身在电机运行时的紧固性。此外结构的复杂性和成本都是有限制的。为了达到上述目标，如下几个层面需要被考虑： 1)SMC材料的机械强度尽管持续提高但还是比普通硅钢片差，因此定子段要规避因为集中绕组和永磁体耦合产生的很大的电磁应力； 2)由于气隙轴向长度较短，使得用于集中绕组和转轴的空间十分有限； 3)轴向磁拉力会由于制造和装配能力导致定转子之间气隙长度不对称产生极大地增加； 4)一些制造工艺会影响SMC材料的电磁特性，如钻孔； 5)为了降低零部件的制造要求精度、装配难度和整个成本，零部件设计的应越少越好。 为了获得更高的电负荷和持续功率，电机采用水冷方式。这级结构就是将定子铜耗和铁芯损耗传导水中，因此热源与水冷系统间的热电阻越小越好。 定子有36根导体，每相有六路并联，受空间限制，绕组需要尽可能保证压实和坚固的。 最终的电机结构如fig.4所示。定子段同相的是同种颜色表示，所有带有集中绕组的定子段由两个环形板固定。两个环形板都有36个与定子槽一样形状的开口。 由于较短的轴向气隙长度限制，环形板的变形量要尽可能小，因此他的弹性模量和屈服强度要很高。此外电机运行过程会产生很高的温度，因此需要他能够承受工作温度和具有较小的热膨胀系数。另外由于气隙中主磁通的存在，板的电阻要足够高以至于能够限制板上的感应涡流。最后，板的磁导率要低以免影响了磁场。Fig.5给出了多种不同材料在最大运行温度和电阻率的对比。 聚醚醚酮(PEEK)具备高电阻率、低磁导率和耐高温特性，因此被用来制作环形板，当然他价格比较高，但能保证电机要求。 五路并联铜管用来做定子水冷系统。铜管尽可能要接近定子段和绕组，剩余空间要充填高导热系数的环氧树脂。这样还有个好处就是增大了所有零部件的紧固性。装配后应对两侧表面进行铣削加工，以消除制造和装配引起的误差。 Fig.6是电机的绕组接线方式。通过三个铜环和相应的铜排将控制器的电流分配到绕组中，第四个相对位置的铜环用来连接星点，由于中心点靠近可以更容易测量每个相位的电压。 由于SMC材料价格高，定子段制作分成两步：1）每个定子段与集中绕组在特定的开发铸造模具中浇注环氧树脂，以保证每段的直流电阻和绝缘电阻；2）所有段最后组合在一起。如fig.7所示。
对开发的结构进行压力和变形量分析，所有的分析都是基于三维有限元分析模型好保证精确的结果，为了计算更快些只计算了一个极对数的电机模型。 要计算定子段上的应力和变形量需先算出他的电磁拉力，这可以在电磁场分析中得到。径向磁拉力相对于轴向和切向的很小可忽略，此外定子段上的磁拉力与转子位置和轴向气隙长度有关。因此机械结构分析要基于最大电流和最关键的转子位置，也就是说这个时候定子段上的力是最大的。切向力和轴向力的值在tab.2中显示。 当气隙不均与时，定子段上的力和转子上的力是很不一样的，这种情况时，一个很大的轴向力会集中在定子段上，fig.8显示了定子段随着气隙从0.2-1.8mm变化的等应力和总变形量的结果。 Tab.3显示了与表2对应的气隙对称和不对称下的抗拉强度Rm、最大等效应力σmax和变形量δmax数值。 从上述的分析结果来看，当气隙变得不对称时候应力和变形量急速上升，然而在最极端情况下，材料的机械应力和变形量都远低于材料的屈服强度和气隙长度。Fig.9是最终的定子样式。 4.转子结构和分析 本节主要介绍转子结构和分析。首先关于轴承的设计与选型，其次是转子的构建和粘接剂的性能测试介绍，在上述基础上说明轴与转子的应力和变形分析。 A. 轴承选型介绍 如果两边的气隙长度是理想均匀的则轴承是不会受到轴向拉力的。然后，正如一直强调的一样，由于装配和制造过程中定转子气隙的不对称性导致轴承要承受很大的轴向磁拉力，此外，轴的热变形对轴承的影响也要考虑进去。 一种固定-浮动的轴承用来满足上述要求。这个固定轴承在轴上时要能承受径向和轴向两个方向的磁拉力，该轴承的精度和刚度要求都要高。这个浮动轴承只提供径向支撑同时不用被固定住，以使能轴向自由位移。这样就能选择两主轴轴承用来作为固定轴承和一个常规深沟球轴承作为浮动轴承，如fig.10所示。主轴轴承用锁紧螺母来预紧。 为了降低成本和设计要求，所有轴承都两面密封且保持润滑。两主轴轴承被放置在O型槽中以达到要求运行速度，轴承的剥离力仅为外部的轴向磁拉力，两个主轴轴承中的一个是无预紧螺钉的。两个不同厚度的间隔套筒位于两个主轴轴承之间，以提高预紧力或更大的剥离力。 在BEARINX软件的帮助下，轴承在工作点和生命周期内的疲劳寿命及其他一些特性，如轴承的刚度可以被计算处理。从分析结果表明，当外力低于设计的预负荷1800 N时（这相当于非对称空气间隙0.8和1.2毫米），标称参考轴承的额定寿命超过10000小时。当外力大于1800N生命周期会降低；在这种情况下，主轴轴承之一就会失去了它的预紧力。例如，在轴上施加6000 N的外力时工作寿命变为3371小时。不过即使在这种情况下，计算的运行寿命是依然符合这个电机原型。 B.转子结构 Fig.11是转子结构剖面图。由于尺寸限制，这个转子轭部被分成12段，由转子托架支撑，两个转子托架由通过收缩与轴连在一起的轴套连接。 除了电磁拉力，转子轭部还受到一个很大的离心力，尤其是高速时候。基于此，一种采用具有良好力学性能的铝合金制造转子载体和轴套来减少变形。这个结构的机械设计要有很好的优化，后面会进一步介绍。 两个转子上的磁钢应该精确地相互对准，这是借助于PEEK的两个环形板来实现的。板块的另一个功能是在高速旋转时，对磁钢有切向方向的支撑。 为了减轻重量和由不对称负荷引起的转子的倾斜，采用大直径空心轴。它是由钢制成的，所以热膨胀与轴承的膨胀相似，达到了所要求的精度。 C. 胶粘剂的性能测试 在粘接技术的支持下，转子托架、转子轭部和永磁体粘接在一起。在高温下这个粘接剂就容易受影响，根据fig.12所示的装置和样品，研究了胶粘剂取决于温度的最大强度情况。 在测试中，SMC板和永磁体块在工业粘合剂帮助下粘在一起。将硅油和容器中的样品加热到所需的温度后，测量检测器垂直向下移动，直到两个板彼此分离。在这个过程中，用检测器测量力，所测得的最大应力取决于温度，如fig.13所示。可以注意到，胶粘剂的最大允许应力在高温下有明显下降。考虑到运行时中PM受到的总力，PM的最高允许温度的特定要求在120℃，因此，YASA运行过程转子的温度必须仔细研究和测量。 D. 转子有限元分析 轴套材料是铝合金，轴材料是钢。由于铝合金比钢热膨胀系数要大得多，具有大过盈配合，即使在高温下也能牢固地连接两部件。 考虑到收缩套承受高压，有必要分析在最大速度和扭矩轴的应力，如fig.14所示。可以指出，即使在最坏的情况下，最大等效应力远远低于钢的容许抗拉屈服强度，因此轴是足够安全的。
其次，转子托架优化设计后能够降低转子的重量、应力和变形。与定子相似，作用在转子磁钢上的磁拉力强度取决于电流、气隙长度和转子位置，tab.4显示了磁钢上的最大磁拉力。
基于上述分析，在最大转速4500r/min下进行托架、轴套和磁钢应力的分析，可以发现转子托架最大变形量远小于轴向气隙长度。Fig.15所示，而磁钢上的应力对比在fig.14中已有显示。
其余转子部件（主要为PEEK板、转子轭部）的应力和变形分析也都有具体结果，总结下就是设计的这款转子满足设计要求可靠性高，样式如fig.16。
5. 整个电机的分析 基于前面对定子和转子的分析设计，设计了电机防护罩。该防护罩带有轴承的功能，以保护内部组件和匹配转子位置编码器。为了保证高精度和减少热膨胀，它们也是钢制的。槽形孔设计在端盖以减轻重量并改善冷却性能。Fig.17为电机样式。
温度是限制电机性能和输出的关键因素，因为粘接剂和磁钢都受其影响。考虑到电机的复杂结构，流体力学和热耦合（CFD）分析来计算空气流场和基于电磁分析计算的损耗计算温度。对于转速等于2600r/min的空气流场如fig.18所示，为了看起来更好把其中的切向分量隐藏了。值得注意的是，由于YASA的特殊结构在气隙中的空气流场具有相对较低的速度，即转子不能有效地冷却。 如fig.19显示额定工作点对应的转速2600 r/min，扭矩115牛米的温度场（大约是最大扭矩的一半）。在这种情况下，PM达到最高允许温度120℃，这意味着持续功率在2600转/分钟时达到最大功率的50%。 在测量过程中，由于热容量低、涡流损耗大，磁钢温度升高很快。为了降低温度和提高连续功率，未来设计中磁钢需要分段。
在完整的机械设计基础上，进行了模态分析，以研究自由振动特性的动态特性。在模拟中，它们被建模为具有等效弹性模量的圆柱体。从模态分析，确定了基本的自然频率约为1190 Hz，高于YASA最高工作频率。这意味着在运行过程中不发生共振。 6.样机测试 Fig.20是样机及自行搭建的测试平台，fig.21是空载测试结果，fig.22是500r/min下只施加q轴电流时效率和转矩图。Fig.23是效率map图。
7. 结论 本文涉及到一个具有分段电枢环面拓扑结构的轴向磁通电机结构和分析。在详细的电磁分析的基础上，进行了定子的结构设计。定子由一个子系统定子段，电气系统和水冷系统组成。定子段用PEEK材料制成的板支撑。用高导热环氧树脂使定子组件结合在一起更紧固。电气子系统将电流源与定子相连接，使逆变器三相电流均匀分布在集中绕组中。此外，在定子中嵌入水冷子系统来传输所产生的热量并实现更高的电负荷。在此基础上，对对称和非对称空气间隙进行了应力和变形的力学分析。 随后，对转子进行了设计。优化了转子托架，使转子的电磁元件更紧固。与定子相似，详细分析了轴和完整转子的机械性能。此外，还测量了胶粘剂的最大允许应力随温度的变化。在YASA的完整模型中，结合热和模态分析进行了温度和电机的固有频率探索。通过以上分析，可以看出所开发的电机是可行的、可靠的。最后，样机制作和测试结果表明，实测数据与电磁分析结果良好吻合。 |
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