電動汽車用寬調速范圍輪轂電機的設計與仿真

盛智愚,裴夏青,周元鈞

(北京航空航天大學，北京 100191)

電動汽車用寬調速范圍輪轂電機的設計與仿真

盛智愚,裴夏青,周元鈞

(北京航空航天大學，北京 100191)

針對某新型電動汽車用輪轂電機性能要求一種寬范圍的調速特性，比較分析異步電機、開關磁阻電機、永磁同步電機和一種使用U型電磁鐵的模塊化橫向磁場電機的調速方法與機械特性，分別進行電機模型設計。采用有限元仿真軟件Ansoft對4種電機模型的機械特性、電磁損耗、效率和電磁重量等特性進行仿真，比較分析仿真結果進而提出最優電機設計模型。研究表明，相對于傳統電機，基于U型電磁鐵的模塊化橫向磁場電機的機械特性與設計要求配合最好；電磁重量最輕、功率密度最高；在500～6 000 r/min轉速范圍內，可實現85%～90%的穩定效率；模塊化結構使設計方案更為簡單，理論上具有較好的容錯特性，是一種適用于電動汽車的新型輪轂電機。

電動汽車;輪轂電機;橫向磁場電機;電機設計;比較分析;電機仿真

0 引 言

新能源電動汽車是現階段汽車發展的主要方向之一，電機作為電動汽車的核心部件，在電動汽車的研制中有著舉足輕重的作用。電動汽車的電機安裝空間狹小、電池容量有限，電機的體積與質量指標十分重要。目前電動汽車用電機的研究主要集中在永磁同步電機與開關磁阻電機及相應控制策略的研究與設計，而新型電機涉及不多。因此，對于電動汽車用寬調速輪轂電機的研究具有重要現實意義。文獻[1]討論輪轂電機的優點和要求，指出輪轂電機能夠節約汽車的空間，從而使增加電池容量和多樣化的電動汽車設計成為可能。文章同時指出輪轂電機應該具有高效率和低重量的特點，以滿足電動汽車運行要求。文獻[2]討論高功率密度電機與一般傳統電機在設計運行時的不同之處，提出部分高功率密度電機設計時需要考慮的問題，為高功率密度電機的設計提供了思路。為達到輪轂電機的要求，有學者嘗試對永磁同步電機進行改進，文獻[3-6]分別介紹不同改進型的永磁電機來提高功率密度。除了永磁同步電機，各種電動汽車用新型電機也接連提出。文獻[7-8]分別設計了盤式無鐵心永磁同步電機和一種混合勵磁軸向磁場磁通切換電機，以期獲得較高的功率密度。橫向磁場電機作為一種新型電機，目前也受到很大關注。文獻[9]對橫向磁場電機和普通徑向磁場電機進行對比分析，仿真分析表明橫向磁場電機較適用于低速直接轉矩輸出的系統，如電動汽車的輪轂電機。文獻[10]討論模塊化橫向磁場電機的電機原理和輸出轉矩的成分和數學模型，提出該電機轉矩是由磁阻轉矩、繞組磁阻轉矩和永磁磁阻轉矩組成。文獻[11]指出高性能電機系統發展方向為高功率密度、高可靠性、高適應性、高精度。目前，學者對各種新型電機的研究多集中于轉矩、效率和設計方案，而對于電機的功率密度、重量、調速范圍等特性的研究較少。

本文基于某新型電動汽車輪轂電機寬調速范圍的設計要求，分別設計了異步電機、永磁同步電機、開關磁阻電機和模塊化橫向磁場電機模型，對4種電機的控制方法、機械特性、調速范圍、重量和體積等特性進行對比分析。使用Ansoft軟件對4種電機工作特性進行仿真，比較分析仿真結果，進而確立較優的電機設計模型。

1 目標電機性能需求參數

項目需求委托單位提出的某新型電動汽車電機的外特性需求參數如圖1所示。設計要求電機在低速運行，即0～2 000 r/min時，能夠維持輸出轉矩為167 N·m實現恒轉矩運行；在高速運行時，即3000～6 000 r/min時，電機能夠以26.2 kW恒功率運行。目標電機的部分指標如表1所示，其中電機額定轉速為2 000 r/min，額定功率為35 kW，額定效率要求不低于87%。

圖1 電機外特性轉速-功率曲線

表1 目標電機性能指標

2 傳統電機設計

文中傳統電機設計模型主要指異步電機、開關磁阻電機、永磁同步電機。根據目標電機設計要求，分別設計異步電機、開關磁阻電機、永磁同步電機。

2.1 異步電機設計

異步電機的轉子轉速計算模型：

(1)

異步電機在工作點的轉矩必須小于臨界轉矩，即Te

即臨界轉矩近似與轉速的平方成反比。則根據式(3)，電機設計中應盡可能減小漏感Lσ1和Lσ2,以滿足高速時輸出轉矩的要求。

異步電機主要尺寸即定子內徑Di和鐵心有效長度lef的設計模型：

(4)

在最大轉速下電機需求的工作轉矩為41.7N·m，經計算此時的臨界轉矩至少為60N·m。由式(4)可初步計算出異步電機尺寸參數值，最終設計的電機部分參數如表2所示。

表2 異步電機設計尺寸參數

2.2 開關磁阻電機設計

開關磁阻電機的自然機械特性表現出比較寬的調速范圍，比較適用于圖1所要求的調速特性。采用開關磁阻電機作為圖1所要求的輪轂電機時，可以在低速時控制電壓實現恒轉矩調速，在高速時利用自然機械特性調速。文獻[12]中提到的通過控制導通角與關斷角來控制開關磁阻電機，其實際作用同樣是控制電機的電壓大小，所以不單獨考慮。

由于開關磁阻電機的平均轉矩表達式[12]：

式中：KL為電感變化系數,Us為電源電壓。θp=θ1-θon，θq=2θoff-θ1-θon，λw=θ2-θ1，當電機導通角、關斷角固定時這3個參數均為定值。故當電機在額定轉速以上運行時，電機的平均轉矩：

(6)

即輸出轉矩近似與轉速的平方成反比。

根據電機的自然機械特性，為了滿足最高轉速6 000r/min時的轉矩41.7N·m要求，推算出額定轉矩167N·m將出現在3 000r/min左右。因此，在電機的設計中，需要將3 000r/min作為額定轉速，才能保證6 000r/min時的輸出轉矩達到要求。開關磁阻電機主要參數選擇依據公式[13]：

(7)

式中：Da為轉子直徑;lδ為電樞計算長度;Bδ為最大磁鏈;A為電負荷;ki為峰值電流系數;km為方波電流系數;Pe為額定功率;n為額定轉速。

最終選擇電機參數如表3所示。

表3 開關磁阻電機設計參數

2.3 永磁同步電機設計

由于永磁同步電機一般被認為是效率高、功率密度高、調速性能較好的電機，本文也將其作為輪轂電機的設計、比較方案之一。通常結構的永磁同步電動機，由于轉子為永磁體，無法在額定轉速以上實現大范圍弱磁調速，理想的調速方式為恒轉矩調速。

如果采用永磁同步電機作為圖1所要求的輪轂電機，由于其很小的弱磁調速范圍，很大范圍的調速需要采用電壓控制的恒轉矩調速方式。永磁同步電機的控制可以在d-q坐標系進行，數學模型[12]:

在低速時控制d軸電流id=0，即可實現恒轉矩調速，在高速時控制id<0，則可以實現弱磁調速。

數學學科教學往往讓學生覺得枯燥無趣，定義、定理和例題都抽象難懂。在實踐共同體中每周進行一次集體備課，在集體備課中，各位教師針對學生的基本情況總結了簡捷的講解方法，搜集了實用的材料，還準備了應用型例題，彼此間進行交流共享、取長補短、互相借鑒。這樣很好的發揮了集體的作用，不僅讓各位教師找到一種歸屬感，還提高了教師的教學應用能力。

本文設計的永磁同步電機在弱磁調速時，以銅損耗為額定值作為前提，經計算調速范圍為1 000r/min左右。即該電機在5 000r/min以上可以采用弱磁調速，而在5 000r/min以下均要采用調壓調頻的調速方法。

電機的尺寸通過參考現有電機和以下兩個基本關系式來確定[14]：

(10)

(11)

式中:P′為額定功率；α為計算極弧系數；A為電負荷；Bσ為氣隙磁密基波幅值；n為額定轉速；Tmax為最大轉矩。

本文設計的永磁同步電機其額定轉速定為5 000r/min,同時因為調壓調頻屬于恒轉矩調速方法，需要將額定轉矩定為167N·m，導致該電機設計功率為表1中原額定功率的2.5倍，即為87.5kW，電機參數如表4所示。

表4 開關磁阻電機設計參數

3 模塊化橫向磁場電機設計

模塊化橫向磁場電機為外轉子電機且結構特殊，定轉子的基本結構如圖2所示。定子為U型電磁鐵，兩臂上纏繞著線圈。轉子由兩個極性相反的永磁體和一塊軟磁材料構成，其中軟磁材料鏈接兩個永磁體起導磁作用，相鄰兩個轉子上的永磁體對應極性相反。

圖2 定轉子基本結構

當電機旋轉時通過控制U型電磁鐵中線圈電流的方向，使U型電磁鐵兩臂的極性與靠近的轉子上的永磁體極性相反，從而使定子對靠近的轉子產生拉力，對遠離的轉子產生推力。當轉子旋轉到與定子相對的位置時，改變定子上線圈的電流方向，使電機產生持續正向的轉矩，磁路如圖3所示。

圖3 定轉子磁路

一相電磁鐵輸出轉矩波形如圖4所示，可以看到輸出轉矩近似為正弦波含有較大的轉矩脈動。而文獻[15]中討論了多相模塊化橫向磁場電機矩角特性的疊加效果，計算結果表明電磁單元組數越多，轉矩中被抵消的諧波次數越多，剩余諧波的次數越高，轉矩的脈動越少。但是過多的電磁單元將會使得電機控制邏輯復雜、控制系統搭建困難。因此本文設計的電機基本單元為五相四極，如圖5所示，由5個電磁鐵和4個永磁組件組成。

圖4 一相電磁鐵輸出轉矩波形

圖5 電機基本單元

式中:L1為線圈電感i1為線圈電流;ωr為電機角速度;ψm為電磁鐵線圈繞組匝鏈的永磁體磁鏈。

由于電壓平衡式中磁阻項含有電機的角速度ωr，高速時引起很大的壓降而使自然機械特性變軟。定子與轉子的參數如表格5所示，值得指出的是該電機定子之間填充的為復合材料環氧樹脂。

表5 定轉子參數

4 電機特性仿真分析

采用Ansoft仿真軟件，對所設計的4種電機模型的機械特性、電磁損耗、效率和重量等特性進行仿真，應用于圖1所要求的輪轂電機時的部分特性進行比較，分析仿真結果。

4.1 電機機械特性仿真比較分析

使用上述4種電機的設計參數值，仿真各電機的機械特性，結果如圖6與圖7所示。

圖6 異步電機機械特性仿真

圖7 開關磁阻電機、永磁同步電機與模塊化橫向磁場電機機械特性仿真對比

為滿足高速時輸出轉矩的要求，異步電機在額定轉速以下需要具有較大的臨界轉矩如圖6所示。一般結構的永磁同步電機由于弱磁能力較弱，設計功率有較大的提高，額定轉速以上功率浪費嚴重。開關磁阻電機的輸出轉矩在額定轉速以上，與轉速的平方成反比，高速時轉矩下降較快。綜合比較，模塊化橫向磁場電機的機械特性與設計需求配合最好。

4.2 電機尺寸與重量的仿真比較分析

本文4種電機設計，均按照表1中外徑為300～330mm的要求進行，表2～表4給出了4種電機設計的主要尺寸，使用仿真軟件Ansoft計算得到電機電磁重量數據，如表6所示。表中的電磁重量指電機的定、轉子鐵心與繞組重量，對應于仿真軟件中的TotalNetWeight數據。

表6 不同電機設計尺寸與重量參數

表6數據表明，在滿足相同性能要求下4種電機設計外形上存在較大差異。異步電機的重量最大，體積也較大，僅小于開關磁阻電機。開關磁阻電機的重量小于異步電機，大于其他兩種電機，但體積最大。永磁同步電機由于弱磁能力較弱,造成設計功率較大，因使用永磁體使得其功率密度較高，設計出的電機體積最小，重量較輕。模塊化橫向磁場電機重量相當于異步電機的1/5、開關磁阻電機的1/3和永磁同步電機的1/2;體積是異步電機的0.5倍、開關磁阻電機的0.58倍、永磁同步電機的1.13倍。因此，模塊化橫向磁場電機的一個突出優點就是具有相對較高的功率密度和較小的重量，故這種電機十分適用于對電機體積與重量都有較高要求的電動汽車。

4.3 電機電磁損耗仿真比較分析

對4種電機在不同轉速時的電磁損耗進行仿真分析比較，結果如圖8～圖11所示。圖11中，模塊化橫向磁場電機在低于額定轉速時以銅損耗為主，高于額定轉速時鐵損耗較大，電磁損耗隨轉速的變化趨勢與開關磁阻電機相似。

圖8 異步電機轉速-損耗仿真

圖10 永磁同步電機設計損耗仿真

圖11 模塊化橫向磁場電機設計損耗仿真

4.4 電機效率仿真比較分析

仿真分析電機在不同轉速時的損耗和效率，得到4種電機設計的電磁效率比較曲線，如圖12所示。

仿真結果表明，模塊化橫向磁場電機在低速時(<2 000r/min)損耗較小，效率高于傳統電機。在高速時由于鐵損耗較大，導致電機總損耗較大，整體效率低于傳統電機。在額定轉速點處，永磁同步電機的效率最高約為95%，模塊化橫向磁場電機與開關磁阻電機相似約為90%。相較于傳統電機設計，模塊化橫向磁場電機在較寬范圍內(1 000～6 000r/min)能夠保持90%的穩定效率、且在低轉速區(500～1 000r/min)能實現85%～90%的較高效率。

圖12 4種電機設計電磁效率仿真

5 結構與設計方法的比較分析

通常結構的異步電機、開關磁阻電機和永磁同步電機的設計，需要根據電機的設計指標完成完整的電磁計算和參數的優化。如果需要修改設計指標，則需要重新進行一次電磁計算和優化過程。

模塊化橫向磁場電機由U型電磁鐵組成，只需要完成一個電磁鐵的電磁設計和優化，然后根據設計指標完成積木式的組合設計即可。在設計功率、轉速等指標需要修改時，也只需要重新進行一個積木式的組合設計。因而，模塊化橫向磁場電機設計方法較為簡單實用。

模塊化橫向磁場電機另一個結構特點是各相之間沒有磁耦合，每個電磁鐵用一個獨立的H橋電路控制。普通的機電作動系統，可靠性分析與數據表明，功率電子裝置是可靠性薄弱環節[16]。對于普通異步電機與永磁同步電機,當電機一相電路出現故障后電機無法繼續運行，由于模塊化橫向磁場電機的各相在磁路、電路上獨立，原理上當電機某相電路發生故障時電機依靠其他相仍能夠繼續運行，僅輸出轉矩脈動增加。因此，在理論上模塊化橫向磁場電機擁有較好的容錯性能。

6 結 語

本文針對一種寬范圍調速特性要求，設計了異步電機、開關磁阻電機、永磁同步電機和一種新型模塊化橫向磁場電機。使用有限元仿真軟件Ansoft對4種電機進行仿真對比分析，得出如下結論：

1)模塊化橫向磁場電機機械特性與設計要求配合最好。

2)4種電機中模塊化橫向磁場電機電磁重量最輕，功率密度最高。

3)橫向磁場電機在高速時效率低于其他電機，但在較寬范圍內能夠保持約90%的穩定效率。

4)模塊化橫向磁場電機設計方法簡單，在理論上具有較好的容錯性。

因此模塊化橫向磁場電機十分適用于對電機的體積與重量都有較高要求的電動汽車。

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The Design Scheme and Simulation of the Wide Speed Regulation Hub Motor Used in Electrical Vehicle

SHENGZhi-yu,PEIXia-qing,ZHOUYuan-jun

(Beihang University,Beijing 100191,China)

A kind of wide speed regulation characteristic motor was required by a new kind of electrical vehicle. To fulfil the requirement, this paper analyzed and compared the method of speed regulation and mechanical properties of induction motor (IM), switched reluctance motor (SRM), permanent magnet synchronous motor (PMSM) and a new kind of modularization transverse flux motor (MTFM) that used U-shaped electromagnets as its stators. Then, the design of these four motors was performed. Using the FEM software Ansoft to complete the simulation of the mechanical properties, electromagnetic loss, efficiency and net weight of the four designed motors. And the best motor was choose based on the comparison of the simulation results. The results show that the MTFM suits the requirement best. It is the one which has the lightest weight and the highest power density in these motors. The efficiency of this motor could maintain 85～90% while the speed varied from 500 r/min to 6 000 r/min. And the modularization structure makes the design of this motor becomes very simple. Theoretically, it also has relative good fault tolerance ability. So, this MTFM is a new kind of motor which suits electrical vehicle well.

electrical vehicle; hub motor; transverse flux motor; motor design; comparative analysis; motor simulation

2016-08-30

航空科學基金項目(2014ZC01002)

TM359.9

A

1004-7018(2017)02-0013-05

盛智愚(1994-),男，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。