专为电动汽车设计、分析并实现的一种低齿槽转矩轴向磁通永磁电机：该电机采用双转子结构和模块化定子设计

《Energy》：Design, Analysis and Implementation of a Low Cogging Torque Axial-Flux PM Machines with Dual Rotors and Modular Stators for Electric Vehicles

针对电动汽车驱动系统的高功率密度需求，提出双斜永磁转子模块化定子（AFPMM-MS）拓扑结构，通过优化磁路对称性和材料分布降低 cogging 扭矩至额定电磁转矩的0.3%，并分析双空隙下转子永磁体和定子绕组交流铜损抑制策略。实验验证原型机在效率和热管理方面达到预期目标。

　　本文探讨了一种适用于电动汽车驱动系统的双转子轴向磁通永磁电机（AFPMM-MS），其特点包括低齿槽转矩和高效率。这种电机采用模块化定子结构，结合双偏转子，从而在保持高效能的同时有效降低齿槽转矩。通过分析定子核心结构和材料对电机性能的影响，研究者探索了如何优化电机设计以实现更高的功率密度和更紧凑的结构。同时，针对双偏转子和定子绕组中的额外涡流损耗和交流铜损，提出了具体的抑制策略。这些策略不仅有助于提高电机的整体效率，还为电动汽车的热管理系统提供了重要的设计依据。最后，通过构建原型并进行实验验证，确认了仿真和分析结果的准确性。

在电动汽车的普及过程中，高效能的永磁电机因其高效率、高功率密度和高功率因数等优点而受到广泛关注。这些电机不仅在电动汽车中应用广泛，还在更多电动飞机、风力发电、机器人驱动和航空航天等高科技领域发挥着重要作用。根据主磁通路径在气隙中的方向，永磁电机可分为径向磁通永磁电机（RFPMM）和轴向磁通永磁电机（AFPMM）。径向磁通电机的主磁通路径呈径向分布，与旋转轴垂直，导致气隙呈圆柱形。而轴向磁通电机的主磁通路径则呈轴向分布，与旋转轴平行，形成平面气隙。研究表明，轴向磁通电机在轴向尺寸受限的应用中具有明显优势，其结构更紧凑，质量更轻，功率密度和扭矩密度更高。因此，轴向磁通电机成为电动汽车驱动系统中的重要选择。

轴向磁通电机的盘状结构使其具备多种拓扑变化的可能性。根据定子和转子的排列方式，轴向磁通电机可分为单侧、双侧和多盘结构。双侧结构进一步分为双定子单转子配置，即轴向磁通内转子（AFIR）设计，以及单定子双转子配置，即轴向磁通外转子（AFOR）设计。相较于单侧结构，双侧和多盘结构通常具有更好的紧凑性，能够实现更高的扭矩密度。然而，这些结构也带来了一些挑战，例如在双气隙配置下，模块化定子可能因突出极效应而产生较高的齿槽转矩。

为了解决这一问题，研究者提出了多种抑制齿槽转矩的方法。其中，一种主要策略是优化极槽组合，以提高齿槽转矩的基本频率，同时降低其每周期的幅值。另一种方法是通过优化定子核心和永磁转子的几何结构，引入不同径向位置产生的齿槽转矩分量之间的相位偏移，从而通过累积抵消减少总的齿槽转矩。具体而言，定子方面的技术包括槽偏移、槽开口优化和槽位移，而转子方面的解决方案则包括极位移、永磁极弧系数优化以及有策略的永磁体位移。然而，现有方法仍需进一步改进，因为减少齿槽转矩的永磁体几何结构优化通常会对反电动势（EMF）的幅值和谐波含量产生不利影响，这可能影响到电机的平滑扭矩输出和整体效率。

模块化定子结构的一个显著优势是，它将磁芯损耗局限于定子齿区域，从而有效减少整体质量。此外，双气隙配置导致定子和转子中出现更加复杂的谐波磁通分布，这使得在定子绕组和永磁体中产生额外的涡流损耗。这种额外的损耗会改变电机损耗的分布和比例，进而影响电机的性能和效率。因此，研究者致力于开发高保真度的损耗模型和计算高效的量化方法，以更好地理解和管理这些损耗。对于电动汽车应用，准确的损耗预测和管理是提高电池续航里程和确保驱动系统可靠性的关键。

本文提出的双偏转子轴向磁通永磁电机（AFPMM-MS）在设计上克服了传统轴向磁通电机的局限性。通过引入模块化定子和双偏转子结构，该电机不仅实现了较低的齿槽转矩，还有效抑制了由转子偏移对反电动势和电磁扭矩带来的负面影响。这种设计在保持高效率的同时，提高了电机的功率密度和扭矩密度，从而满足电动汽车驱动系统对高性能的要求。此外，通过优化定子齿的结构和数量，采用分数槽集中绕组（FSCW）技术，实现了较高的槽填充率，进一步增强了电机的性能。

在实验验证方面，本文构建了一个原型电机，并通过实验测试验证了仿真和分析结果的准确性。实验结果表明，该电机在实际运行中能够实现预期的低齿槽转矩和高效率。同时，通过分析电机的损耗分布，研究者为电动汽车的热管理系统提供了重要的设计依据。这些研究成果不仅对当前电动汽车的发展具有重要意义，也为未来新能源和智能制造领域的应用奠定了基础。

总的来说，本文的研究成果为电动汽车驱动系统提供了一种新的解决方案，即双偏转子轴向磁通永磁电机（AFPMM-MS）。该电机在设计上兼顾了低齿槽转矩、高扭矩输出和高效率，能够有效应对电动汽车驱动系统中的关键性能挑战。通过深入分析电机的损耗机制和优化策略，研究者为电机的设计和应用提供了宝贵的参考。此外，本文的研究成果还为其他高精度和高性能应用，如飞轮储能和风力发电，提供了借鉴。随着电动汽车技术的不断发展，这种高效能电机的应用前景将更加广阔。