磁齿轮在电动汽车中的运用研究

井立兵?++杨楠++李海军++王归新

摘要：针对磁齿轮的优点及电动汽车爬坡性能差的特点，本文对磁齿轮进行正弦充磁，分析其气隙磁场分布情况，制作样机并验证传动比及传动效率；最后验证了使用磁齿轮的电动汽车在爬坡性能上强于一般的电动汽车。

关键词：磁齿轮；转矩密度；气隙磁场；电动汽车

【中图分类号】U469.72

本论文研究目的是探索磁齿轮在电动汽车中的应用。目前国内在此领域的研究人员还不多，但已有越来越多的人注意到磁齿轮的优点，国外的研究一直在深入，比如英国人，从理论上分析了磁齿轮的原理及运行规律，并且制作了一种新型磁齿轮样机，试验表明新型磁齿轮有较大的转矩密度，且传递效率也非常高。这对新能源汽车，特别是纯电动汽车来说，可以替代传统的传动机构，特别是低速大转矩场合，磁齿轮有更美好的应用前景。

一、磁齿轮传动原理

从结构上看，磁齿轮主要由3部分构成：内部是具有较少磁极的内转子永磁体（高速转子），外部是具有较多磁极的外转子永磁体（低速转子），中间固定部分是由高导磁材料和非导磁材料交错组成的调磁铁心块（调磁环），起到调制内、外转子磁场的作用。由于该磁力齿轮的基本工作原理是依靠齿形定子（调磁环）对磁场进行调制，故将其称为磁场调制式磁力齿轮[2]。其结构示意图如图1所示。

图1 磁场调制式磁力齿轮结构示意图 图2 磁力线的分布

本文采用全局解析法计算具有两层气隙的磁齿轮传动装置。电磁转矩是电机实现机电能量转换重要参数之一，准确计算磁齿轮电磁转矩是设计、分析磁齿轮性能的关键。根据麦克斯韦应力张量法理论，电磁转矩由切向力产生，如果沿半径r的圆周积分，则电磁转矩的表达式为：

（2）

式中Lef为电机气隙轴向有效长度；r为气隙中的任意圆周半径；Br， Bθ分别为半径r处气隙磁密的径向和切向分量。对于选定的半径，r为常数。

二、磁齿轮磁场计算实例

本文利用以上解析计算模型，对一台同心式磁力齿轮样机内外两层气隙磁场和电磁转矩进行计算，

该同心式磁力齿轮磁力线的分布情况如图2所示。

图3和图4分别为内外两层气隙径向磁密和切向磁密解析计算结果和有限元计算结果的比较。

（a） 径向部分 （b） 切向部分

图3 内层气隙中间磁通密度（r=70.5mm）

（a） 径向部分 （b） 切向部分

图4 外层气隙中间磁通密度（r=86.5mm）

从图中可看到全局解析法计算径向和切向磁密相对有限元计算结果在波形上十分吻合。

从样机带载试验结果知，同心式磁力齒轮传动装置传递效率受负载大小影响很大，当负载转矩大于60N m时，其传递效率在90%以上。在负载转矩达到74N m时，样机的有效长度对应的输出转矩密度达到57.18kN m/m3。

三、结论

本文采用了二维全局解析法计算同心式磁力齿轮磁场分布及电磁转矩。通过实例模型计算了其空载内外两层气隙磁场和电磁转矩，其计算波形与有限元法计算波形相当一致。而新型磁力齿轮传动装置的最大优点就是适用于低转速大转矩场合，将同心式磁齿轮传动装置应用到电动汽车中，电动汽车的性能可以得到很大的提升，也更有利于推动电动汽车的发展。

参考文献

[1]P. O. Rasmussen， T. O. Andersen， F. T. Jorgensen. Development of a high performance magnetic gear[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2005， 41（3）： 764-770.

[2]K. Atallah， D， Howe. A novel high performance magnetic gear[J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2001， 37（4）： 2844-2846.endprint