起动／助力／发电一体化新型永磁电机
计算机辅助设计
贡亚丽1，王文明2，张好明1
(1．苏州工业园区职业技术学院，苏州215021；
2苏州工业园区松下电器研究开发(苏州有限公司)，苏州215123)
摘要：起动／助力／发电一体化系统汽车系统要求电机高效，高功率密度，低脉动转矩。Hal—bach电机是一种新型永磁电机。独特的永磁体结构不仅使其磁极磁场呈正弦分布，而且还可以增加气隙磁通密度，削弱转子轭部磁通密度，这使得在提高电机的功率密度的同时，又可以减小电机的体积，提高电机的效率。首先编写了Halbach电机和普通永磁同步电机设计软件，然后利用ANSYS自带语言编写了两种电机的有限元分析软件，在此基础上对所设计的Halbach电机和普通永磁电机进行了研究。样机实验数据证明Ha[bach电机在一体化系统中的优越性。
关键词：起动／助力／发电一体化系统；Halbach阵列；永磁电机；有限元分析；电机设计；实验
O引 言
在普通燃油汽车驱动系统中，起动及发电功能分别由起动电机和发电机两个独立的子系统完成，往往需要独立地研制、优化、装配和维护。实际上，起动电机只在起动汽车发动机时工作，发动机运转至怠速以上就和发动机脱离并停止工作，而发电机在发动机运转之后才开始工作。这两套机组工作时间并不重叠，造成了系统利用率的下降，并增加了器件所占用的体积。起动／助力／发电一体化系统(Integrated Started AlternatorDamper System，简称ISAD系统)是近年来应用于汽车架构中的一种新技术，可以很好地克服上述缺点。
该系统除了提供附加的起动／停止功能，实现发动机的即起即停，避免怠速工况，还能使再生制动成为可能。系统再生制动时将获取汽车制动时产生的能量，通过直流变换器帮助能量吸收系统充电，而此能量又可以在汽车起动和加速时通过直流变换器向汽车提供能量，在需要的时候还可以对发动机扭矩进行助力，使得系统工作效率更高，输出电能更大，明显地减少了汽车能量的消耗、尾气排放和噪音[1]。在这个系统当中，由于能量的频繁交换，则对电机提出了较高的要求。
异步电机体积笨重，而且无论低速还是高速，其效率都很难满足高效混合动力系统要求；开关磁阻电机体积和脉动转矩较大，噪声较大；传统稀土永磁电机虽然体积较小，低速时效率很高，但在高速运转时受转子涡流损耗影响导致效率大大降低，很难满足系统高效要求。在这种情况下，寻求一种新型电机是非常重要的。
1 HaIbach电机
IsAD系统和Halabch电机结构如图1和图2所示。
相对于普通永磁同步电机，Halbach电机具有以下优点：
①正弦磁极磁场。HaIbach电机****的特点就是其磁极磁场呈正弦分布。这一点是由其结构产生的。一般情况下，在永磁电机中，永磁材料都是离散分布，如果改变磁铁的分布而形成平面集中分布的话，便得到了Halbach平面阵列。图3是利用有限元分析后得到的平面H aIbach阵列的磁场分布图。
如果改变永磁材料的分布而形成环面分布的话，便得到了Halbach阵列。
Halbach列在柱坐标系可表示为：
θm=(1 p)8 (1)
式中， 为永磁体每点磁化方向；目为任何一点离开极轴的角度；p为电机的极对数；“+”外转子时使用；“一”内转子时使用
式中，  为径向单位矢量；e0为切向单位矢量。 如果把每极永磁体均分为n个宽度相等且为无穷小的永磁体系列，取n个永磁体系列的径向分解值，则这些分解值叠加可以组成一个正弦磁场。此正弦磁场有利于减少电机的磁场谐波，改善电机的转矩性能。
②气隙磁通密度大。Halbach阵列的另一特点也可以从图3的有限元分析中看出：磁极磁场的大小在永磁材料的一边大幅度提高的同时，而在另一边却大幅度地降低，形成了一种特殊的单边磁场，如果在永磁电机设计中利用其这一特点，使得在永磁材料体积不变的条件下，电机气隙磁通密度增大，则有利于减少电机的体积，符合ISAD汽车 |
