本文是一篇电气自动化论文，本文提出了一种新型定子永磁型12/13极六相轴向磁通切换永磁电机，并对电机进行了详细的剖析与研究，具体包括：新型拓扑结构、多相设计方法、冗余绕组配置、转矩产生机理、优化设计方案、电磁性能分析、故障容错能力、样机实验验证和综合性能评估等。
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着温室气体的排放，全球正在加速变暖，尽快找出兼顾发展和减排的办法是全人类的当务之急。面对这个问题，我国于2020年正式提出“双碳”目标，并于2022年8月，印发了《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022-2030年）》。我国交通运输领域化石能源消费占比居高不下，燃油汽车尾气排放严重。因此，汽车产业实施“双碳”战略意义重大，将迎来百年未有之变局，积极发展新能源汽车和对汽车全生命周期进行环保创新的产业升级是行业推动低碳发展的重要途径，将为国家实现“双碳”战略目标做出突出贡献，承担更多责任[1-5]。目前，我国新能源汽车正在以势如破竹的速度发展，未来将继续通过针对性的技术研究和产业化实践，加速科研成果的转化，全面推进新能源汽车时代的到来。随着新理论、新方法、新技术及新材料等不断涌现，研发新型高品质电驱动系统能够快速推进电动汽车的高质量发展[6-10]。其中，轴向磁通永磁（Permanent Magnet，PM）（Axial Flux PM，AFPM）电机因轴向长度短、结构紧凑、体积小、功率/转矩密度高、效率高、转矩输出能力强和控制灵活等优点，特别适合用于电动汽车电驱动系统[11-14]。
近年来，国内外在AFPM电机的设计、研发及制造等方面投入了大量资金，逐一攻克了包括设计方法、材料选型、工艺制造等多方面的技术难题，推进了轴向磁通永磁电机在电动汽车电驱动系统中的产业化应用。其中，国外包括梅赛德斯-奔驰的YASA P400R与750R电机、比利时Magnex的AXF 225电机以及日本三菱为EVO设计的AF140轮毂电机等均是AFPM电机产品化的典型代表。国内包括杭州中豪电动、上海磁雷革、盘古动力等企业在轴向磁通永磁电机研发与应用方面取得了实质性突破。
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1.2 轴向磁通切换永磁电机研究现状
轴向磁通切换永磁电机是一种定子永磁型AFPM电机，结合了轴向磁通永磁电机与磁通切换电机的特征，具有轴向长度短、结构紧凑、体积小、重量轻、功率/转矩密度高、效率高、散热方便等特点，在电动汽车领域具有良好的应用前景[15-21]。
1.2.1 定子永磁型轴向磁通切换永磁电机
文献[22]提出了一种单定子/单转子4槽/2极（4/2）ASFPM电机，如图1-1所示。该电机轴向长度短，结构紧凑，呈典型的盘式结构。定子由2块定子铁心单元、2个电枢绕组和2块沿切向充磁的“I”形磁钢组成，转子仅由硅钢片叠压而成，结构坚固可靠，适合高速运行。文献[23]提出了一种高功率/转矩密度的三相单定子/单转子轴向磁通切换永磁电机。其中，定子齿与永磁体沿周向均匀排列在定子轭部，电枢绕组缠绕在定子齿上，如图1-2所示。由于单气隙结构会对电机转子产生较严重的轴向磁拉力，使转轴长时间处于不平衡状态，因此，单定子/单转子电机存在电机寿命短，转矩输出能力不够强等缺陷。基于此，国内外学者提出了“多极化”和“多盘式”概念，并应用于ASFPM电机。
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2 六相ASFPM电机设计
2.1 拓扑结构与运行原理
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图2-1所示为本课题所提出的六相ASFPM电机，由两个完全相同的定子和一个中间转子组成，轴向长度短，结构简单紧凑。定、转子采用双凸极结构，聚磁效应强，功率/转矩密度高。每个定子由12个“E”形定子铁心、12个电枢绕组和12块永磁体构成；电枢绕组和永磁体均置于定子，易于电机冷却系统的设计，热管理方便，对转矩/功率密度的提升有积极作用。定子单元与永磁体采用平行槽平行永磁结构，该结构具有幅值较高的磁链与反电势。电枢绕组采用集中式绕制，缠绕于相邻两个定子侧齿与永磁体组成的“三明治”单元上（图2-1(b)所示），每个定子有12个电枢绕组，两个定子共24个，形成双三相结构。电枢绕组为六相冗余结构，在发生绕组短路或断路故障时，可以通过剩余的健康相重构气隙磁场，保持转矩输出能力，提升电机的容错性能和可靠性；而且集中式绕制方式加工方便，线圈端部长度短，电机铜耗小，效率高。独特的拓扑结构与绕组分相设计使得相电枢绕组之间具有良好的一致性与互补性，消除高次谐波，产生幅值与正弦度更高的永磁磁链与反电势。“E”形铁心的中间齿具有隔磁、隔热作用，可以有效减小相耦合程度，相与相之间互感较小，能够进一步提升电机的容错性能。转子上沿圆周均匀分布13个转子极，仅由硅钢片叠压而成，结构简单坚固，机械强度高。此外，六相ASFPM电机的双气隙结构，能够降低机械损耗与故障发生概率，提高电机使用寿命。
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2.2 六相ASFPM电机初始设计
六相ASFPM电机是一种新型多相定子永磁型轴向磁通切换永磁电机，传统的三相轴向磁通切换永磁电机设计方法无法完全适用。因此，本节将基于六相ASFPM电机的结构特征、运行规律和性能指标，建立适用于六相ASFPM电机的功率尺寸方程。分析定/转子结构参数的选取原则或选取范围，研究该电机一般设计方法。经反复推导计算、对比分析和验证，最终确定电机的基本尺寸参数。
本节将基于电机性能指标、结构特征和运行规律，结合功率尺寸方程，分析六相ASFPM电机结构参数的选取原则或选取范围。探索电机的一般设计方法，反复推导计算和验证，得出电机定子、转子以及绕组的关键参数，包括：定子齿数、转子极数、定子尺寸、永磁体尺寸、转子尺寸，气隙长度、绕组绕制方式、每相绕组匝数等。表2-1为六相ASFPM电机的性能指标。
基于表2-1中的性能指标要求，结合上述分析的六相ASFPM电机一般通用设计方法和参数选取原则，最终得到了电机的初始结构参数，如表2-2所示。其中，功率尺寸方程中的一些参数是结合电机工业中长期积累的经验选取的。此外，为简化设计过程，在初始设计中，选取了一些关键尺寸参数为相等值，如：定子齿宽、槽宽，永磁体厚度，转子齿宽等。这些经验值不一定是最优值，电机性能也可能并未达到最佳。因此，为进一步提升六相ASFPM电机的性能，后续将基于磁场调制理论，详细对比分析初始结构参数下SWC与AWC电机的气隙磁密谐波分布，探究转矩产生机理。并以此作为理论指导，研究各参数变化对电机性能的影响规律，制定六相ASFPM电机的优化设计方案，进而完成定、转子结构参数的优化设计，最终完善六相ASFPM电机通用设计方法。
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3 六相ASFPM电机转矩产生机理 ........................... 23
3.1 永磁磁场调制机理 ............................... 23
3.2 电枢反应磁场调制机理............................. 26
3.3 转矩产生机理 .......................... 30
4 六相ASFPM电机优化设计 .............................. 33
4.1 三维参数化有限元建模.................................. 33
4.2 电机裂比优化 ................................ 33
4.3 定子结构优化 .................................... 35
5 六相ASFPM电机电磁特性分析 .......................... 47
5.1 磁场分布 ..................................... 47
5.2 气隙磁密 ..................................... 48
5.3 永磁磁链 ...................................... 48
6 六相ASFPM电机实验分析
6.1 试验样机
基于优化后AWC下六相轴向磁通切换永磁电机结构尺寸，试制了一台实验样机。图6-1为样机定、转子部分的加工设计图，图6-2为非对称式双三相电枢绕组绕制方式示意图。缠绕电枢绕组的定子“三明治单元”上标注有线圈序号，4个电枢绕组按顺序串联为一相电枢绕组。每个电枢绕组采用单层绕制方式，各个线圈之间相间独立，该绕组连接方式下的绕组端部短，电机铜耗小、效率高。
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7 总结与展望
7.1 总结
本文提出了一种新型定子永磁型12/13极六相轴向磁通切换永磁电机，并对电机进行了详细的剖析与研究，具体包括：新型拓扑结构、多相设计方法、冗余绕组配置、转矩产生机理、优化设计方案、电磁性能分析、故障容错能力、样机实验验证和综合性能评估等，本文主要工作和研究成果可以总结为以下几点：
（1）提出了一种新型12/13极六相轴向磁通切换永磁电机，分析了电机的结构特点和运行原理，从基本原理上验证了电机结构的可行性与合理性。基于槽导体反电势空间分布，提出了两种完全不同的六相绕组配置方式，分别为对称式双三相连接与非对称式双三相连接。建立了六相轴向磁通切换永磁电机的功率尺寸方程，总结了多相轴向磁通切换永磁电机的一般通用设计方法，确定了电机的初始结构尺寸参数；
(2）基于气隙磁场调制理论，详细分析了空载气隙磁密与电枢反应气隙磁密中的谐波分布及相应的谐波转速特性。探究了各次谐波对电磁转矩的贡献比例，研究了电机的转矩产生机理，深层次揭示了六相轴向磁通切换永磁电机的工作机理。结果显示，初始结构参数下电机转矩主要由四个主要极对数贡献，总谐波贡献率超过83%，验证了12/13极六相轴向磁通切换永磁电机拓扑结构的合理性；
（3）以低转矩脉动、大转矩输出能力为优化目标，结合气隙磁密分析结果，确定了六相轴向磁通切换永磁电机的优化设计方案，并与初始结构参数下的电机电磁特性进行了深入地对比分析。结果显示，优化后的电机具有更加合理的定转子磁密分布，更强的气隙磁场，更高质量的永磁磁链与反电势，更小的齿槽转矩与转矩脉动，更强的转矩输出能力，验证了优化方案的有效性； （4）深入分析SWC与AWC两种绕组配置下的六相轴向磁通切换永磁电机电磁特性，包括磁场与磁密分布、气隙磁通密度、空载永磁磁链、感应反动电势、绕组自感与互感、转矩性能和容错运行能力等。结果表明，两种绕组配置下的六相轴向磁通切换永磁电机均表现出了极强的竞争力，具有永磁磁链、反电势正弦度高，转矩脉动小，可靠性高，容错性能强等特点。其中，SWC具有更高幅值的永磁磁链和反电势，更强的转矩输出能力；AWC具有更加正弦的永磁磁链和反电势、更小的齿槽转矩与转矩脉动、更高的可靠性；
参考文献（略）