電動(dòng)汽車(chē)用調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)分析與設(shè)計(jì)

陳文敏，劉征艮，劉 海

(廣東省東莞電機(jī)有限公司，東莞523141)

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會(huì)環(huán)境問(wèn)題的日益突出，低污染、高效率的純電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)展的趨勢(shì)。由于汽車(chē)運(yùn)行的特殊環(huán)境，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)的設(shè)計(jì)要注意以下三個(gè)要求:(1)電機(jī)起動(dòng)力矩大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，過(guò)載能力強(qiáng)，能夠在比較寬的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒定功率的輸出;(2)電機(jī)的功率密度大，可以滿足電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部狹窄空間的安裝要求;(3)電機(jī)抗高溫、顛簸能力強(qiáng)，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜惡劣的環(huán)境［1］。

內(nèi)置式調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)以其效率高、功率密度大、體積小、弱磁擴(kuò)速能力良好等優(yōu)點(diǎn)，成為了純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的首選。本文根據(jù)汽車(chē)的實(shí)際運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)了一款用于驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車(chē)的內(nèi)置式調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)，其額定功率PN=30 kW，最大功率Pmax=65 kW，額定轉(zhuǎn)速nN=3 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速nmax=7 000 r/min，單臺(tái)電機(jī)運(yùn)行，可驅(qū)動(dòng)2 000 kg 的小汽車(chē)。

1 內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)

電磁設(shè)計(jì)的任務(wù)包括根據(jù)電機(jī)的性能指標(biāo)確定主要尺寸、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、估算并選擇永磁體的尺寸、選用材料、設(shè)計(jì)定轉(zhuǎn)子沖片、選擇繞組連接方式、確定線圈匝數(shù)及熱平衡計(jì)算等，然后對(duì)初始方案進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算值不符合設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)則要返回相關(guān)步驟調(diào)整相關(guān)參數(shù)進(jìn)行迭代，計(jì)算值符合技術(shù)指標(biāo)則繼續(xù)往下計(jì)算，直到計(jì)算結(jié)果符合技術(shù)指標(biāo)為止，相關(guān)流程如圖1 所示。

圖1 電機(jī)設(shè)計(jì)流程圖

1.1 確定電機(jī)主要尺寸

電機(jī)的主要尺寸是電樞直徑Di1和電樞長(zhǎng)度leff，其尺寸可以通過(guò)基本關(guān)系式來(lái)確定:

式中:P'為計(jì)算功率;α 為計(jì)算極弧系數(shù);A 為電負(fù)荷;Bδ為氣隙磁密基波幅值;n 為轉(zhuǎn)速。

為了提高汽車(chē)電機(jī)的起動(dòng)和加速能力，電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Tmax要為額定轉(zhuǎn)矩TN的2.5 倍以上。永磁同步電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Tmax與電磁負(fù)荷、電機(jī)主要尺寸有以下關(guān)系:

永磁材料采用高性能釹鐵硼，Bδ可達(dá)到0.85 T，該電機(jī)采用強(qiáng)迫水冷系統(tǒng)，電負(fù)荷A 可取35 A/cm。同時(shí)考慮到電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部的安裝空間，最終取Di1=115 mm，leff=200 mm。

1.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選擇

傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)采用表貼式，每一塊永磁體對(duì)于一個(gè)極。本文設(shè)計(jì)的永磁電機(jī)磁鋼按“V”型結(jié)構(gòu)放置，由兩塊永磁體組成一個(gè)極。此結(jié)構(gòu)能有效增加勵(lì)磁，具有比較大的凸極率，可有效提高電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力［2］。電機(jī)截面結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.3 永磁體尺寸的設(shè)計(jì)

適合調(diào)速的永磁同步電動(dòng)機(jī)使用的永磁材料只有稀土永磁材料，即釤鈷永磁和釹鐵硼永磁。相對(duì)于釤鈷永磁來(lái)說(shuō)，釹鐵硼永磁材料溫度系數(shù)高，居里溫度低，但是剩磁高，價(jià)格便宜，更適合民用。永磁材料的厚度hM與氣隙δ 的大小直接相關(guān)。由于永磁材料是永磁電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)來(lái)源，因此hM的選擇應(yīng)從永磁電機(jī)的磁勢(shì)平衡關(guān)系出發(fā)，先給定一個(gè)估計(jì)值，再根據(jù)永磁電機(jī)的電磁性能再進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整;此外hM的大小還決定了永磁電機(jī)的抗去磁能力，因此還要根據(jù)電樞反應(yīng)去磁的計(jì)算結(jié)果來(lái)最終決定hM的取值。為了調(diào)整永磁電機(jī)的性能，還需要調(diào)整永磁材料的磁化寬度bM，bM直接決定了永磁材料的供磁面積。對(duì)于內(nèi)置式徑向結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，永磁材料的尺寸計(jì)算公式［3］:

式中:系數(shù)Ka與轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)相關(guān)，一般可取0.7 ～1.2，σ0為永磁電機(jī)空載漏磁系數(shù)，內(nèi)置式永磁電機(jī)可取1. 2 ～1. 4，Kt為永磁電機(jī)飽和系數(shù)，一般取1.05 ～1.2。根據(jù)估算結(jié)果初步給定值為bM=70 mm，hM=5.6 mm。

1.4 轉(zhuǎn)子隔磁橋的設(shè)計(jì)

內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的永磁體插在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，漏磁比較大，永磁體的利用率比表貼式的低，必須采取相應(yīng)的隔磁措施。隔磁使轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，機(jī)械強(qiáng)度變差，沖模的使用壽命縮短，因此在保證隔磁效果的前提下，隔磁措施越簡(jiǎn)單越好。

本文采用空氣和隔磁橋進(jìn)行隔磁，如圖3 所示。圖中隔磁橋很窄，通過(guò)較小的磁通就讓其達(dá)到飽和，從而限制漏磁，達(dá)到隔磁的效果。隔磁橋的寬度越小，隔磁效果越明顯，磁鋼的利用率越高，但機(jī)械強(qiáng)度越差，容易造成鐵心變形［4］。通常隔磁橋?qū)挾热?.8 ～1.5 mm，本文取1 mm。

圖3 轉(zhuǎn)子隔磁橋

1.5 轉(zhuǎn)子偏心距的確定

內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)可采用不均勻氣隙的方法來(lái)降低齒槽轉(zhuǎn)矩，使氣隙磁密盡量正弦化，同時(shí)還可以使繞組反電勢(shì)盡可能接近正弦波，降低輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高電機(jī)的性能［5］。如圖4 所示，轉(zhuǎn)子外表面與定子內(nèi)表面的圓弧不同圓心，兩者之間存在一個(gè)偏心距h ，最大氣隙δmax，最小氣隙δmin。滿足R2=R1+h+δmin。

圖4 永磁電機(jī)的偏心氣隙

根據(jù)有限元的分析結(jié)果，不同的偏心距對(duì)于齒槽轉(zhuǎn)矩值和空載氣隙磁密諧波畸變率如圖5、圖6所示。

圖5 齒槽轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子偏心距關(guān)系

圖6 氣隙磁密諧波畸變率與轉(zhuǎn)子偏心距關(guān)系

由圖5、圖6 可知，轉(zhuǎn)子偏心距不是越大越好，在偏心距h=18 mm 時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩最小，h =16 mm 時(shí)諧波畸變率最小;氣隙磁密的正弦度最好。綜合考慮，本文取偏心距h=17 mm。

1.6 繞組的確定

空載反電勢(shì)E0是永磁同步電動(dòng)機(jī)一個(gè)非常重要的參數(shù)，由永磁體產(chǎn)生的空載氣隙基波磁通在電樞繞組中感應(yīng)生成。E0的大小對(duì)永磁電機(jī)性能有很大的影響，合理設(shè)計(jì)的永磁電機(jī)，E0與額定電壓的比值均在合理的范圍內(nèi)［6］。當(dāng)永磁電機(jī)的其它尺寸參數(shù)已經(jīng)確定時(shí)，通過(guò)空載反電勢(shì)來(lái)確定繞組匝數(shù)、連接方式、線規(guī)等就成為永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

本文中電動(dòng)汽車(chē)所攜帶的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所能提供的最大交流電壓為230 V。一般永磁同步電動(dòng)機(jī)額定點(diǎn)空載反電勢(shì)要求盡可能接近并略小于工作電壓，但電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)運(yùn)行的速度范圍比較寬，因此，一般取較小值以滿足擴(kuò)速要求。本文計(jì)算了在單層繞組、2 路并聯(lián)時(shí)，不同匝數(shù)分別對(duì)應(yīng)的空載反電勢(shì)E0、空載電流I0、額定電流IN、最高轉(zhuǎn)nmax，分別如表1、表2 所示。

表1 Y 接法時(shí)不同匝數(shù)對(duì)應(yīng)參數(shù)

表2 △接法時(shí)不同匝數(shù)對(duì)應(yīng)參數(shù)

由表1、表2 可知，隨著匝數(shù)的增加，空載反電勢(shì)上升，空載電流和額定電流下降，最高轉(zhuǎn)速也隨之下降。綜合各項(xiàng)指標(biāo)，本文的繞組采用△接法、10匝的方案。具體尺寸參數(shù)如表3 所示。

表3 電動(dòng)機(jī)的具體尺寸參數(shù)

2 永磁電機(jī)電磁方案仿真

2.1 空載漏磁系數(shù)的計(jì)算

由于本文采用磁鐵內(nèi)置的方式，漏磁比永磁體表貼時(shí)要大，因此空載漏磁系數(shù)是衡量永磁電機(jī)設(shè)計(jì)合理與否的一個(gè)重要參數(shù)。利用有限元軟件對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)進(jìn)行漏磁仿真計(jì)算，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 永磁電機(jī)空載漏磁示意圖

從圖7 可以看到，轉(zhuǎn)子中有一部分磁力線沒(méi)有穿過(guò)氣隙與定子繞組交鏈產(chǎn)生力矩，而是從磁鐵N極出來(lái)后穿過(guò)隔磁橋及加強(qiáng)筋回到S 極。通過(guò)計(jì)算可以求出空載漏磁系數(shù)σ0=1.26。

2.2 空載反電勢(shì)

永磁電機(jī)空載反電勢(shì)波形的正弦程度對(duì)電機(jī)有非常重要的作用。一般來(lái)說(shuō)，反電勢(shì)的正弦度越好，輸出的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小，電機(jī)就越平穩(wěn)。

本文在額定點(diǎn)的反電勢(shì)及其傅里葉分解圖如圖8、圖9 所示。由圖可得反電勢(shì)的波形比較接近正弦波，諧波畸變率為11.8%。

圖8 空載反電勢(shì)波形

圖9 空載反電勢(shì)傅里葉分解

2.3 輸出轉(zhuǎn)矩

輸出轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)程度是電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)，直接關(guān)系到電動(dòng)汽車(chē)的振動(dòng)狀況及乘車(chē)的舒適性。本文通過(guò)一系列的優(yōu)化方式，使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)非常小，基本上接近直線，如圖10 所示，能夠滿足電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)要求。

圖10 永磁電機(jī)在額定點(diǎn)的輸出轉(zhuǎn)矩

3 試制樣機(jī)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，制作了樣機(jī)并進(jìn)行裝車(chē)實(shí)驗(yàn)，如圖11、圖12 所示。

圖11 電機(jī)樣機(jī)

圖12 電動(dòng)汽車(chē)樣機(jī)

以測(cè)功機(jī)為負(fù)載，在矢量控制方式下對(duì)樣機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性測(cè)試，結(jié)果如圖13 所示。可見(jiàn)，樣機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩大，恒功率運(yùn)行范圍廣，從而使整車(chē)具有強(qiáng)加速能力及低速爬坡能力，又具有比較高的行駛速度。

圖13 電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一款驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的PN=30 kW，nN=3 000 r/min 調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算出電機(jī)的主要尺寸，對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、永磁體尺寸、隔磁措施進(jìn)行了分析，并根據(jù)電機(jī)在額定工況的反電勢(shì)及超速性能，確定電樞繞組的連接方式和匝數(shù)。對(duì)電機(jī)的空載漏磁系數(shù)、空載反電勢(shì)的諧波畸變率、輸出轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行了仿真，最后制作了樣機(jī)并進(jìn)行了裝車(chē)實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明該電機(jī)符合電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)要求，為下一步的電機(jī)優(yōu)化工作打下基礎(chǔ)。

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