電動大巴永磁輔助磁阻同步電動機仿真分析

李新華，阮 波，徐竟成，劉 偉

(湖北工業(yè)大學，武漢430068)

0 引 言

目前電動大巴驅(qū)動電機大多采用感應(yīng)電動機，也有使用稀土永磁同步電動機(以下簡稱釹鐵硼電機)的，但都存在比較明顯的缺點，感應(yīng)電動機效率和功率密度比較低，釹鐵硼電機制造成本高。美國能源部2011 年發(fā)表的研究報告稱，2015 年，新能源車驅(qū)動電機的成本應(yīng)小于43 元/kg，功率密度應(yīng)高于1.3 kW/kg;2020 年，驅(qū)動電機的成本應(yīng)小于28.8 元/kg，功率密度應(yīng)高于1.6 kW/kg［1］。要實現(xiàn)上述目標，無論是采用感應(yīng)電動機還是釹鐵硼電動機都是困難的，因此亟待研發(fā)新型電動大巴驅(qū)動電機［2］。

永磁輔助式磁阻同步電動機(以下簡稱永磁輔助式電機)是一種具有高性價比的驅(qū)動電機。永磁輔助式電機采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，具有較高的磁阻轉(zhuǎn)矩，永磁轉(zhuǎn)矩比較低。由于永磁轉(zhuǎn)矩比較小，永磁輔助式電機不需要太高的永磁磁場，可以采用價格低廉的鐵氧體永磁材料制成主磁極，電機制造成本大幅降低。目前，德國、日本和韓國的一些學者已經(jīng)研制出了新能源乘用車驅(qū)動用永磁輔助式電機。德國Paderborn 大學的Milind Paradkar 等學者研制出了峰值功率50 kW、最高轉(zhuǎn)速14 000 r/min 的永磁輔助式電機，該電機額定功率密度為8 kW/L［3］。日本大阪大學的Masahiro Obata 等學者研制出了峰值功率95.4 kW、最高轉(zhuǎn)速10 000 r/min 的永磁輔助式電機，該電機額定工況磁阻轉(zhuǎn)矩利用率達84 %，峰值工況達93 %，功率密度達10 kW/L，與2003 年第二代Prius 50 kW 釹鐵硼電機的功率密度接近［4］。

本文通過計算機仿真方法對電動大巴驅(qū)動用永磁輔助式電機進行評估分析。所評估的電動大巴永磁輔助式電機(以下簡稱評估電機)主要技術(shù)數(shù)據(jù):額定功率為120 kW，峰值功率為200 kW，供電電壓DC 540 V，額定轉(zhuǎn)矩為1 640 N·m，峰值轉(zhuǎn)矩為2 720 N·m，額定轉(zhuǎn)速為700 r/min，最高轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。評估的主要內(nèi)容是分析不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和極槽配合下永磁輔助式電機的轉(zhuǎn)矩能力，從而得到一個較為優(yōu)化的電機結(jié)構(gòu)方案，并與同規(guī)格的釹鐵硼電機進行比較。

1 同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖1 是不同同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩之間的變化關(guān)系。圖1(a)是表貼式永磁同步電動機，電磁轉(zhuǎn)矩為純永磁轉(zhuǎn)矩，無磁阻轉(zhuǎn)矩;圖1(b)、圖1(c)分別為插入式和內(nèi)置式永磁同步電動機，以永磁轉(zhuǎn)矩為主，磁阻轉(zhuǎn)矩為輔;圖1(d)為永磁輔助式電機，以磁阻轉(zhuǎn)矩為主，永磁轉(zhuǎn)矩為輔;圖1(e)是磁阻式同步電動機，為純磁阻轉(zhuǎn)矩，沒有永磁轉(zhuǎn)矩［5］。

圖1 不同同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下的永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩

為了提高電機的永磁轉(zhuǎn)矩，表貼式和內(nèi)置式永磁同步電動機必須具有較高的氣隙磁場，需采用釹鐵硼永磁材料，且用量較大，成本較高;永磁輔助式電機以磁阻轉(zhuǎn)矩為主，不需太高的氣隙磁場，一般采用鐵氧體永磁材料，且用量較小，成本較低;磁阻式同步電動機功率密度不高，在新能源車中已很少應(yīng)用。圖中從圖1(a)至圖1(e)同步電動機所需的氣隙磁場下降，凸極比和磁阻轉(zhuǎn)矩上升，制造成本下降。

永磁輔助式電機的磁阻轉(zhuǎn)矩與其內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。永磁輔助式電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選擇時應(yīng)考慮以下要求:一是具有較高的凸極比，能產(chǎn)生較大的磁阻轉(zhuǎn)矩;二是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)安全、制造工藝性好。

目前，永磁輔助式電機大都采用內(nèi)置多層磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。圖2(a)為一字形磁體嵌放，分別為三、四層U 形槽轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu);圖2(b)為U(V)字形磁體混合嵌放，分別為三、四層槽轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，最上一層為V 形槽。對兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁輔助式電機的轉(zhuǎn)矩能力進行仿真分析，電機仿真模型的極槽配合為8 極72 槽，一相串聯(lián)匝數(shù)為54，鐵氧體用量和磁參數(shù)相同，每相通入400 A 電流，表1 給出了兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁輔助式電機的電磁轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果。

由表1 可知，U(V)字形磁體嵌放永磁輔助式電機的總電磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩比一字形磁體嵌放的都高，而且轉(zhuǎn)矩脈動率低。如U(V)字形磁體嵌放四

圖2 永磁輔助式電機內(nèi)置多層磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

表1 兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁輔助式電機的轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

層轉(zhuǎn)子槽結(jié)構(gòu)永磁輔助式電機的總電磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩分別高出一字形磁體嵌放的28 %和23 %，轉(zhuǎn)矩脈動率低6.7 %。另一方面，增加層數(shù)對于提高電機的轉(zhuǎn)矩能力、降低轉(zhuǎn)矩脈動率有利。如U(V)字形磁體嵌放四層轉(zhuǎn)子槽結(jié)構(gòu)永磁輔助式電機的總電磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩比三層槽的分別高出13 %和12 %，轉(zhuǎn)矩脈動率低5.4 %。圖3 為其電磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩的仿真曲線。可見，U(V)字形磁體四層轉(zhuǎn)子槽結(jié)構(gòu)永磁輔助式電機的總電磁轉(zhuǎn)矩高于評估電機所要求的峰值轉(zhuǎn)矩，磁阻轉(zhuǎn)矩利用率達72 %，轉(zhuǎn)矩脈動率只有4.6 %。

圖3 四層U(V)字形磁體電機轉(zhuǎn)矩仿真曲線

2 極/槽配合

新能源汽車驅(qū)動用釹鐵硼電機常用的極數(shù)有6極和8 極，但以8 極居多。永磁同步電動機的極數(shù)愈多，電磁轉(zhuǎn)矩趨于平穩(wěn)，但鐵耗增大。

為了研究極數(shù)對磁阻轉(zhuǎn)矩的影響，這里分別對4 極48 槽、6 極54 槽和8 極72 槽三種極槽配合的永磁輔助式電機進行轉(zhuǎn)矩仿真分析。圖4 為三種極槽配合永磁輔助式電機的仿真模型，采用U(V)字形磁體嵌放的四層轉(zhuǎn)子槽結(jié)構(gòu)。仿真時永磁輔助式電機的主要尺寸、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和磁體用量均相同。表2 給出了三種極槽配合永磁輔助式電機的電磁轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果。

圖4 永磁輔助式電機內(nèi)置多層磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

表2 三種極槽配合永磁輔助式電機的電磁轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

由表2 可知，隨著極數(shù)增加，磁阻轉(zhuǎn)矩明顯上升，總電磁轉(zhuǎn)矩脈動率下降，8 極/72 槽電機的總電磁轉(zhuǎn)矩脈動率最低;8 極72 槽無刷電機的總電磁轉(zhuǎn)矩達到評估電機所要求的峰值轉(zhuǎn)矩，其它兩種極槽配合的總電磁轉(zhuǎn)矩都低于要求，其中4 極48 槽電機的總電磁轉(zhuǎn)矩只有8 極72 槽的一半左右?？梢姡瑢τ谟来泡o助式磁阻電機來講，為了提高磁阻轉(zhuǎn)矩，降低轉(zhuǎn)矩脈動率，宜選擇多極多槽配合的結(jié)構(gòu)方案。

3 與釹鐵硼電機比較

根據(jù)評估電機的技術(shù)要求，構(gòu)建了如圖5 所示的釹鐵硼電機仿真模型。分別對釹鐵硼電機和永磁輔助式電機模型進行仿真分析，圖6 ～圖8 給出了電機空載電動勢、峰值轉(zhuǎn)矩和最高轉(zhuǎn)速時鐵耗的仿真結(jié)果，表3 為電動大巴驅(qū)動用釹鐵硼電機和永磁輔助式電機的主要數(shù)據(jù)、仿真結(jié)果及材料消耗比較。

圖5 釹鐵硼電機1/8 仿真模型

圖6 電機空載電動勢的仿真曲線(750 r/min)

圖7 電機峰值轉(zhuǎn)矩的仿真曲線(700 A)

圖8 電機鐵耗仿真曲線(3 000 r/min)

表3 電動大巴驅(qū)動電機的主要數(shù)據(jù)、仿真結(jié)果及材料消耗比較

表3 中材料估計價格:硅鋼片8 元/kg，漆包線70 元/kg，鐵氧體55 元/kg，釹鐵硼650 元/kg。

由表3 中仿真結(jié)果可知，永磁輔助式電機和釹鐵硼電機總電磁轉(zhuǎn)矩都能滿足評估電機峰值轉(zhuǎn)矩要求，但與釹鐵硼電機相比，永磁輔助式電機總電磁轉(zhuǎn)矩脈動率降低，鐵耗減小44 %，磁阻轉(zhuǎn)矩平均值大近一倍，峰值功率密度接近，電機制造成本減少3 750 元/臺，有效材料成本減少53 %，因此，永磁輔助式電機具有明顯的性價比優(yōu)勢。

值得注意的是，永磁輔助式電機3 000 r/min 時的感應(yīng)電動勢為330 V，只有額定相電壓的1.5 倍，弱磁失效不存在過壓風險;釹鐵硼電機3 000 r/min時的感應(yīng)電動勢達1 022 V，比額定相電壓高4.6倍，弱磁失效時存在過壓危險，對電機控制器及車載電器安全構(gòu)成威脅。

4 結(jié) 語

開發(fā)低成本電動大巴驅(qū)動用永磁輔助式電機是一件具有實際意義的工作。通過合理選擇轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和極槽配合，永磁輔助式電機不僅能夠滿足電動大巴對驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩要求，而且性能良好，特別是制造成本低，節(jié)省寶貴的稀土資源，顯著提升新能源汽車的市場競爭力，在電動大巴驅(qū)動電機中有著良好的應(yīng)用前景。

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