電動車輛新型電機應(yīng)用分析

蔣建文,張承寧,武小花,王志福

(北京理工大學(xué),北京100081)

0 引 言

由于日益嚴(yán)峻的能源危機和環(huán)境污染問題,汽車向著低油耗、低排放的方向發(fā)展,作為理想零排放或低排放的新能源車輛,純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車已引起全世界的高度關(guān)注。然而,目前純電動汽車受行駛里程的限制,暫時難以普及;燃料電池汽車具有高效率、清潔等優(yōu)點,但技術(shù)還不成熟、制造成本高,在一段時期內(nèi)還難以產(chǎn)業(yè)化;混合動力汽車作為一種過渡形式在近期被看好。

電機作為電動車輛上的關(guān)鍵部件,其特性要求如下:大扭矩、調(diào)速范圍寬、能量功率高、轉(zhuǎn)矩密度大、瞬間電流大、重量輕、體積小。目前應(yīng)用的有直流電機、感應(yīng)電機、永磁電機和開關(guān)磁阻電機。這些都是單轉(zhuǎn)子單定子電機,雙轉(zhuǎn)子、雙定子電機因其有較大的轉(zhuǎn)矩和較好的調(diào)速特性受到國內(nèi)外的廣泛研究,本文著重介紹幾種雙轉(zhuǎn)子、雙定子電機,說明其結(jié)構(gòu)、工作原理及特點。

按磁場的方向不同,電機可分為徑向磁場電機、軸向磁場電機和橫向磁場電機。

1 徑向磁場電機

普通圓柱式電機的氣隙是圓桶形,氣隙磁場方向垂直于圓桶切線方向與電機定子和轉(zhuǎn)子截面徑向方向平行,因此稱之為徑向磁場電機。根據(jù)定轉(zhuǎn)子布置方式不同,分雙機械端口雙轉(zhuǎn)子電機、單機械端口雙轉(zhuǎn)子電機、同心式雙定子電機、并列式雙定子電機。

圖1 雙機械端口雙轉(zhuǎn)子電機橫截面

圖2 雙機械端口雙轉(zhuǎn)子電機軸面

1.1 雙機械端口雙轉(zhuǎn)子電機

1.1.1 機械結(jié)構(gòu)

圖1是電機的橫截面,圖2是軸截面,輸入軸、內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心、內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁磁鋼、外轉(zhuǎn)子鐵心和外轉(zhuǎn)子內(nèi)繞組組成內(nèi)電機;定子繞組、定子鐵心、外轉(zhuǎn)子鐵心和外轉(zhuǎn)子外繞組組成外電機;由里到外依次是輸入軸、內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心、內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁磁鋼、外轉(zhuǎn)子鐵心、外轉(zhuǎn)子內(nèi)繞組、外轉(zhuǎn)子外繞組、定子鐵心、定子繞組、機殼,內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心固定在輸入軸上。定子鐵心固定在機殼上,外轉(zhuǎn)子鐵心與輸出軸剛性連接,外轉(zhuǎn)子內(nèi)繞組和外轉(zhuǎn)子外繞組連接形成回路,定子繞組與逆變器連接。

1.1.2 工作原理

該電機可以看作是由一個徑向式永磁磁路結(jié)構(gòu)的內(nèi)電機與一個勵磁磁路結(jié)構(gòu)的外電機組成,內(nèi)轉(zhuǎn)子和汽車發(fā)動機曲軸相連,曲軸帶動內(nèi)轉(zhuǎn)子上的永磁體旋轉(zhuǎn),在氣隙空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,外轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流,產(chǎn)生電磁力驅(qū)使外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),同時外轉(zhuǎn)子在定子勵磁繞組作用下也產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,兩個轉(zhuǎn)矩疊加共同輸出。

1.1.3 電機特點

由于發(fā)動機與車輪之間沒有直接的機械連接,可以調(diào)節(jié)發(fā)動機在高效點工作,當(dāng)負(fù)載變化時,只需調(diào)整定子磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩,電機可以實現(xiàn)發(fā)動機至車輪的無級變速(EVT)傳動,因而整車油耗少、效率高。目前國內(nèi)設(shè)計了這種電機應(yīng)用于SUV混合動力汽車上,內(nèi)電機最大功率為38 kW,最大轉(zhuǎn)矩為150 N·m,外電機最大功率為68 kW,最大轉(zhuǎn)矩為430 N·m,最高轉(zhuǎn)速為4 500 r/min。

但雙機械端口雙轉(zhuǎn)子電機因具有兩個機械端口和兩個電端口,能量的變換與傳遞很復(fù)雜,目前還沒有該類電機比較完整的數(shù)學(xué)模型。

1.2 單機械端口雙轉(zhuǎn)子電機

1.2.1 機械結(jié)構(gòu)

圖3為其橫截面,圖4為三維模型圖,外轉(zhuǎn)子磁體緊貼在外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛內(nèi)表面,內(nèi)轉(zhuǎn)子磁體緊貼在內(nèi)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛外表面,內(nèi)外轉(zhuǎn)子共用一個定子。定子由鐵心和繞組組成,鐵心內(nèi)、外表面有均勻分布的齒槽,繞組由背靠背線圈組成。外轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛、外轉(zhuǎn)子磁體組成外轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)軸、內(nèi)轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁鐵心軛及內(nèi)轉(zhuǎn)子磁體組成內(nèi)轉(zhuǎn)子。內(nèi)外轉(zhuǎn)子通過端部圓盤連在一起并與軸承、支撐在靜止座和垂直靜止端蓋上。定子固定在垂直靜止端蓋上。外轉(zhuǎn)子與定子形成電機的外氣隙,內(nèi)轉(zhuǎn)子與定子形成電機的內(nèi)氣隙。

1.2.2 工作原理

電機基于永磁體Halbach陣列排布運行,Halbach陣列是一種新型永磁體排列方式,可使陣列一邊的磁場顯著增強而另一邊顯著減弱,且很容易在空間得到較理想正弦分布的磁場。該電機可以看作是一臺內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機和一臺外轉(zhuǎn)子永磁電機串聯(lián)而成,定子繞組外槽導(dǎo)體為外轉(zhuǎn)子永磁電機的定子繞組,內(nèi)槽導(dǎo)體為內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機的定子繞組,外轉(zhuǎn)子磁體在外轉(zhuǎn)子繞組作用下產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與內(nèi)轉(zhuǎn)子磁體在內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組作用下產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩疊加共同輸出。

圖3 雙轉(zhuǎn)子永磁電機橫截面

圖4 雙轉(zhuǎn)子永磁電機三維圖

1.2.3 電機特點

由于內(nèi)外轉(zhuǎn)子磁體采用Halbach陣列排布,氣隙磁場強度大幅度提高,而轉(zhuǎn)子軛部磁場強度減低,這樣可以減小轉(zhuǎn)子軛部鐵心厚度,能有效減小電機體積,提高電機功率密度。同時由于磁場正弦分布程度較高,因此可以采用集中繞組。普通電機定子與轉(zhuǎn)子之間有徑向磁拉力,而這種電機內(nèi)外磁拉力方向相反,兩者可以抵消一部分力,有利于電機的穩(wěn)定運行。因此基于Halbach陣列的永磁電機比普通的永磁電機有更多的優(yōu)勢,目前對該類電機的研究也比較多,山東大學(xué)設(shè)計了一臺額定功率2.2 kW、額定轉(zhuǎn)速1 200 r/min的雙轉(zhuǎn)子永磁電機并申請了專利。

1.3 同心式雙定子電機

雙定子電機指具有兩個定子的電機,兩個定子的有功電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩共同作用于轉(zhuǎn)子作機械功,此類電機具有響應(yīng)快、加速度大、轉(zhuǎn)矩波動小、過載能力高和驅(qū)動控制系統(tǒng)靈活等優(yōu)點,在空間有限的條件下,可以大大減小機械系統(tǒng)的體積與重量。

圖5 同心式雙定子電機結(jié)構(gòu)

同心式雙定子電機如圖5所示。主要由內(nèi)外定子、內(nèi)外永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心環(huán)及轉(zhuǎn)軸等組成,轉(zhuǎn)子為空心杯結(jié)構(gòu),內(nèi)外永磁體分別粘貼在鐵心環(huán)內(nèi)外壁,呈Halbach陣列,內(nèi)外定子對應(yīng)繞組串聯(lián),組成內(nèi)外兩臺電機,工作原理與雙轉(zhuǎn)子永磁電機類似。由于內(nèi)外兩個定子放置導(dǎo)線,所以它能比普通單定子電機提供更大的線負(fù)荷。此類電機應(yīng)用在電動車輛上可以在相同的體積下產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩,提高電機的材料和空間利用率。

1.4 并列式雙定子電機

并列式雙定子電機如圖6所示,電機軸向有兩個定子,其中一個與機座相連,固定不動,稱為主定子,另一個可以在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動,稱為調(diào)速定子。兩個定子的三相接線對應(yīng)相并接引出,當(dāng)調(diào)速定子轉(zhuǎn)動角度δ時,兩個定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢將產(chǎn)生相應(yīng)的相位差,引起轉(zhuǎn)子導(dǎo)條合成感應(yīng)電勢隨δ改變,從而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之改變,這樣通過改變調(diào)速定子的位置,達到平滑調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的,調(diào)速范圍寬,可在30%～98%之內(nèi)穩(wěn)定控制。此類電機具有良好的起動和調(diào)速性能,在汽車領(lǐng)域比較適用,哈爾濱工業(yè)大學(xué)根據(jù)傳統(tǒng)永磁同步電機的結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計了這種雙定子永磁同步電機,用于電動汽車上。

圖6 并列式雙定子電機結(jié)構(gòu)

2 軸向磁場電機

傳統(tǒng)徑向磁通電機由于存在齒根部的瓶頸現(xiàn)象,電機冷卻困難和鐵心利用率低,勵磁繞組存在磁滯和渦流損耗等缺陷,使得軸向磁通電機的發(fā)展成為必然,軸向磁場電機氣隙磁場方向垂直氣隙平面,與轉(zhuǎn)子軸向平行,因此稱為軸向磁場電機,比較常見的是盤式永磁同步電機。它具有永磁電機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、體積小、質(zhì)量輕、效率高等優(yōu)點,同時具有盤式電機的軸向尺寸短、結(jié)構(gòu)緊湊,功率密度高等優(yōu)勢,轉(zhuǎn)矩/重量大,適合低速大扭矩直接驅(qū)動裝置。與徑向磁通電機比較如表1所示,可見在相同體積下,軸向磁場電機可比徑向磁場電機產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩和更高的功率密度。

表1 各電機性能比較

但盤式永磁電機電磁場分布較傳統(tǒng)的圓柱式電機復(fù)雜,需要進行三維電磁場的有限元分析。

按照定轉(zhuǎn)子數(shù)量和相對位置不同,盤式永磁同步電機分單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、單定子雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、單轉(zhuǎn)子雙定子結(jié)構(gòu)及多盤式結(jié)構(gòu)。

2.1 單定子雙轉(zhuǎn)子盤式永磁同步電機

2.1.1 機械結(jié)構(gòu)

其結(jié)構(gòu)如圖7所示,圖8是其模型圖。

圖7 單定子雙轉(zhuǎn)子盤式永磁同步電機結(jié)構(gòu)

圖8 單定子雙轉(zhuǎn)子盤式永磁同步電機模型

2.1.2 工作原理

雙轉(zhuǎn)子和單定子構(gòu)成雙氣隙,電樞無槽無鐵心,由繞組注塑而成,轉(zhuǎn)子由高性能永磁材料與鋼板粘接,N、S永磁磁極交替排列呈Halbach陣列,主磁路從一個極出發(fā),軸向穿過氣隙和與之相對的另一極,沿軸向穿過轉(zhuǎn)子軛,再穿過相鄰的磁極和軸向氣隙,最后沿轉(zhuǎn)子軛部閉合,磁路示意圖如圖9所示。控制器根據(jù)位置傳感器檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號,觸發(fā)相應(yīng)的電子開關(guān)元件,給電樞供電,徑向通電導(dǎo)體在軸向磁場的作用下產(chǎn)生切向電磁力,驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

2.1.3 電機特點

電機的定子鐵心及其繞組夾在永磁轉(zhuǎn)子中,采用雙面磁體結(jié)構(gòu),氣隙密度比單邊磁體密度結(jié)構(gòu)高10%左右,且可改善極面下磁場分布的均勻性,可以更充分地利用永磁材料,有利于提高電機性能,縮小體積,同時轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)具有風(fēng)扇作用,有利于電機散熱。這類電機結(jié)構(gòu)緊湊,在汽車空間有限的條件下應(yīng)用有很大的優(yōu)勢。

圖9 磁路示意圖

2.2 單轉(zhuǎn)子雙定子盤式永磁同步電機

電機的永磁轉(zhuǎn)子夾在兩個定子中間,結(jié)構(gòu)示意如圖10所示。電機定子采用開槽結(jié)構(gòu),永磁體安裝在轉(zhuǎn)子鐵心表面上,交替排列呈Halbach陣列,主磁通從一個極出發(fā),軸向穿過氣隙,經(jīng)過定子齒、軛部后進入相鄰的氣隙和磁極,然后通過轉(zhuǎn)子體和相對的磁極,進入另一側(cè)的氣隙,并沿定子的齒、軛經(jīng)過氣隙和磁極通過轉(zhuǎn)子體閉合,其磁路示意圖如圖11所示。工作原理與單定子雙轉(zhuǎn)子盤式永磁同步電機類似。轉(zhuǎn)子無鐵心,電機的功率/重量密度高,左右兩邊的定子結(jié)構(gòu)使得電機的散熱面積大。美國TIMKEN公司研發(fā)的KAMAN盤式永磁電機樣機已應(yīng)用于電動車輛上。

圖10 單轉(zhuǎn)子雙定子盤式永磁同步電機結(jié)構(gòu)

圖11 單轉(zhuǎn)子雙定子盤式永磁同步電機磁路

3 橫向磁場電機

在傳統(tǒng)電機結(jié)構(gòu)中,磁通通過的齒部和電樞繞組所在槽占同一截面,槽的寬度與齒部互相制約,如需流過較大的電流,則需較大的線圈截面,齒的寬度就會受到影響(飽和作用會使磁通減小);反之亦然。如果齒寬和槽寬同時增大,就會增大電機的半徑,使電機的轉(zhuǎn)矩密度降低。因此,輸出轉(zhuǎn)矩難以根本提高,橫向磁通永磁電機由德國不倫瑞克理工大學(xué)HerbertWeh教授和他的合作者在1986年提出,在橫向磁通電機中,磁力線所在平面垂直于電機旋轉(zhuǎn)方向,處于三維分布,圖12是其示意圖,Y軸與某個鐵心的中心線重合,電機的旋轉(zhuǎn)方向在XY平面,而磁通在C型鐵心中,即磁力線在ZY平面中。

定子由均勻分布的U形定子元件構(gòu)成,轉(zhuǎn)子由永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心均勻分布組成,相鄰的永磁體極性相反,使得轉(zhuǎn)子的磁通沿周向從S極指向N極。定子U型鐵的槽中嵌放線圈,當(dāng)線圈通電后,定子元件會產(chǎn)生軸向的磁場,通過定子元件的一個齒部穿過轉(zhuǎn)子到達它的另一個齒部,形成回路,圖13是磁路示意圖。定子的兩個齒部可以看成兩個磁性不同的磁極。齒部的磁場和轉(zhuǎn)子中永磁體的磁場相互作用,使轉(zhuǎn)子朝一個方向旋轉(zhuǎn),每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個極的距離后,相應(yīng)地改變線圈中電流的方向,這樣轉(zhuǎn)子可以連續(xù)運轉(zhuǎn),圖14是橫向磁通電機模型。

圖12 橫向磁通電機示意圖

圖13 橫向磁通永磁電機磁路

圖14 雙邊橫向磁通永磁電機模型

橫向磁通永磁電機最大的優(yōu)點是轉(zhuǎn)矩密度和功率密度都大,與其它電機力密度的對比如表2所示,可見它是常規(guī)電機的3～5倍,因為電機中齒槽和電樞線圈在空間上相互垂直,磁路和電路分離,電流和磁負(fù)荷在空間上不存在競爭,因而定子和線圈的尺寸在一定范圍內(nèi)可以任意選取,它的功率密度較高,在低速時保持高效和大扭矩,適合電動車輛的電力驅(qū)動。丹麥阿爾伯格大學(xué)研制的橫向磁通永磁電動機采用E形鐵心結(jié)構(gòu),在轉(zhuǎn)速相對較高的汽車上直接進行驅(qū)動。

表2 各種電機力密度對比

但橫向磁通永磁電機也存在問題,一是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工藝性差,不適于工業(yè)生產(chǎn);二是功率因數(shù)較低,最大才0.53,造成驅(qū)動系統(tǒng)容量增大。

橫向磁通電機也具有雙定子結(jié)構(gòu),分為同心式和并列式。

3.1 橫向磁通同心式雙定子電機

結(jié)構(gòu)如圖15所示,電機有兩個定子,兩個氣隙可以產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩,結(jié)合橫向磁通的特點,此類電機應(yīng)用于電動車輛上可以獲得很好的輸出性能。

3.2 橫向磁通并列式雙定子電機

圖15 橫向磁通同心式雙定子電機結(jié)構(gòu)

圖16 橫磁通并列式雙定子電機結(jié)構(gòu)

其結(jié)構(gòu)如圖16所示。并列式左右同軸結(jié)構(gòu),相當(dāng)于兩個C型定子結(jié)構(gòu)的橫磁通電機背靠背放置,這樣可以有效地利用轉(zhuǎn)子,并消除了轉(zhuǎn)子的單邊作用力引起的變形,1997年英國羅爾斯羅伊斯國際研究與發(fā)展公司設(shè)計了這種橫向磁通電機,用于護衛(wèi)艦上。

4 結(jié) 語

綜上所述,雙轉(zhuǎn)子、雙定子電機在不同磁場方向下,由于自身結(jié)構(gòu)不同使電機呈現(xiàn)不同的特點,徑向磁通雙機械端口雙轉(zhuǎn)子電機可以對轉(zhuǎn)速自由控制形成無級變速(EVT),徑向磁通雙轉(zhuǎn)子、雙定子永磁電機由于永磁體的Halbach陣列排布,氣隙磁場大幅度提高,增大了轉(zhuǎn)矩。但徑向磁場電機存在渦流損耗、體積大、效率低、散熱性差等缺陷,因此軸向磁場電機得到了發(fā)展,盤式永磁同步電機結(jié)構(gòu)緊湊,可以比徑向磁場電機產(chǎn)生更高的功率密度和更大的轉(zhuǎn)矩。不過徑向磁場和軸向磁場電機都存在齒槽競爭的關(guān)系,限制了電機轉(zhuǎn)矩密度的根本性提高,因此提出了橫向磁通電機,其電路與磁路分開,從根本上提高了電機的轉(zhuǎn)矩和功率密度,并且具有很高的效率,適合電動車輛的低速大扭矩場電力驅(qū)動要求,因此,橫向磁通電機今后在電動車輛上的應(yīng)用將會得到更大的發(fā)展。

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