電動汽車永磁同步驅動電機優化波形質量方法*

張炳義， 張霄霆， 姜珊珊

(1. 沈陽工業大學 電氣工程學院， 沈陽 110870； 2. 唐山普林億威科技有限公司 研發部， 河北 唐山 063000)

電氣工程

電動汽車永磁同步驅動電機優化波形質量方法*

張炳義1， 張霄霆1， 姜珊珊2

(1. 沈陽工業大學 電氣工程學院， 沈陽 110870； 2. 唐山普林億威科技有限公司 研發部， 河北 唐山 063000)

為了提升電動汽車的品質，控制永磁同步電機的振動與噪聲，在對內置式永磁同步電機的空載氣隙磁密波形與轉子磁體結構關系研究的基礎上，提出了一種新的氣隙磁密波形優化方法.在均勻氣隙下，使單個磁極的磁密在空間上不均勻分布.設計了“M”型新轉子結構，對“M”轉子結構永磁同步電機建立了有限元分析模型，并進行了有限元分析.結果表明：“M”轉子結構的氣隙磁密波形接近于正弦波，氣隙磁密空間各成份諧波含量明顯減少，氣隙磁密波形正弦畸變率也有所減小，諧波得到了有效抑制.

電動汽車； 永磁電機； 振動與噪聲； 氣隙磁密； 不均勻分布； 優化波形質量； 轉子結構； 有限元分析

建設生態文明、發展清潔能源、實現可持續發展是當今世界人類文明的重要共識.電動汽車已成為汽車行業新能源革命的典型代表，也是我國汽車行業的重要發展戰略.經過“十二五”期間的大力推進，中國電動汽車完成了起步階段的任務.2016年新能源汽車產量達到51.7萬輛，同比增長36.4%，產銷量居世界第一，其中純電動汽車占比89%.中國汽車工程學會《節能與新能源汽車技術路線圖》中規劃：到2025年，新能源汽車銷量占整個汽車銷量的15%，到2030年，新能源汽車銷量占整個汽車銷量的40%，電動汽車發展空間巨大[1].

稀土永磁同步電機的振動與噪聲控制將成為電動汽車品質提升的重要因素，稀土永磁電機已成為電動汽車動力主流.傳統永磁同步電機因永磁體結構產生的氣隙磁密波形近似方波而存在“獨特”的驅動電機振動與噪聲.不同轉子結構的氣隙磁場中諧波含量有較大差異，諧波含量越大，定子鐵芯和轉子鐵芯中的諧波損耗也會越大，永磁電機的效率則會大大降低，導致氣隙磁密波形質量變差[2].諧波電流和諧波磁場還會產生附加的轉矩波動，從而引起電機的振動和噪聲.降低電動汽車永磁同步電機的振動與噪聲已成為下一階段發展高品質電動汽車的瓶頸.采用偏心磁極的方法可以減小感應電勢諧波分量，達到優化氣隙磁密波形目的[3-4]，但是電機轉子外圓形狀復雜，增加了電機的加工難度；文獻[5]提出了一種采用不等跨距繞組的模塊組合式定子永磁電機結構，實現了低速大功率電機定子的模塊化制作，增強了電機的制造靈活性、運行可靠性、可維護性以及容錯性，但是該方法使得低速大功率電機體積過大，帶來了制造、運輸、裝配以及維護困難等問題；文獻[6]針對定、轉子開槽引起的齒諧波磁場在定子電樞繞組中感應齒諧波電動勢的特點，從電機設計角度獲得了一些有益的結論；文獻[7]利用離散Halbach陣列氣隙磁通密度分布特點，通過改變槽口寬度改變繞組匝鏈磁鏈的波形，從而改善磁密波形；文獻[8]根據充磁方式、磁軛及極靴形狀的變化情況，采用二維有限元方法對相應的氣隙磁密變化情況進行分析，得出了改變磁鋼形狀會改變電機的氣隙分布，而氣隙的分布與電機氣隙磁密呈正相關的結論.上述文獻均從不同角度對氣隙磁密波形進行了改善，取得了不同的效果，表明學者已開始重視永磁同步電機氣隙磁密波形的改善研究.

本設計以均勻氣隙下內置永磁同步電機轉子結構優化為研究核心，以凝練優化波形質量方法為研究內容，以“M”型優化轉子結構為研究對象，將“M”型轉子結構與傳統“一”字型結構的氣隙磁密波形進行對比，并通過有限元仿真驗證了優化方法的有效性.

1 傳統電機結構及其氣隙磁密波形

傳統內置式永磁同步電機的“一”字轉子結構及氣隙磁密波形如圖1所示.永磁同步電機的磁場由永磁體產生，永磁體通常為矩形塊.當采用均勻氣隙時，永磁同步電機空載永磁體提供的氣隙磁通[7]為

(1)

式中：bm0為永磁體空載工作點；Br為永磁體剩磁密度；σ0為空載漏磁系數；Am為永磁體提供每極磁通的面積.

圖1 “一”字轉子結構及氣隙磁密波形Fig.1 “一-shape”rotor structure and waveformof air gap flux density

由圖1a可以看出，“一”字轉子結構在一個磁極下的磁通由3塊永磁體Y1、Y2、Y3提供.“一”字轉子結構均勻氣隙空載下的氣隙磁場波形呈梯形分布[9]，這種磁場波形決定了永磁同步電機具有如下特征：

1) 電機轉矩波動大；

2) 梯形波的氣隙磁場中含有大量的諧波，必然會產生附加的振動噪聲，導致電機的振動噪音大；

3) 氣隙磁場諧波含量大，將導致電機的鐵芯損耗比異步電機大得多，這不僅影響電機額定運行時的效率，還會因為空載損耗增大，直接影響到電機輕載時的效率.

2 轉子結構優化與“M”結構設計

為獲得較理想的氣隙磁密波形，對傳統“一”字型轉子結構進行“M”型構建.“M”型轉子磁路結構是由兩個“一”字型和一個“V”字型組成，其磁鋼的尺寸、角度、相對位置以及磁通都會影響氣隙磁密波形.在結構設計上，每段永磁體之間互不接觸，以提高電機轉子沖片的機械強度，各永磁體中間留有一定的隔磁橋.通過合理排布永磁體的各項參數，即合理設計“M”型轉子永磁體中兩個“一”字型磁鋼和中間“V”字型磁鋼的尺寸、角度和相對位置，調控永磁體的磁通，使得在一個磁極下，兩邊“一”字型永磁體磁通較低，中間“V”字型永磁體磁通較高，從而獲得正弦化氣隙磁密波形.正弦化氣隙磁密波形有效改善了永磁電機的波形質量，圖2為本設計所使用的優化轉子結構及氣隙磁密波形圖.

圖2 “M”優化轉子結構及氣隙磁密波形Fig.2 Optimized “M-shape” rotor structure andwaveform of air gap flux density

優化轉子結構空載時永磁體提供的氣隙磁通為

(2)

式中，Am1=A11+A21+A31+A41，A11、A21、A31、A41分別為4塊永磁體M11、M21、M31和M41的磁通面積.

“M”優化轉子結構正弦化氣隙磁密波形的實現機理為：把一個磁極下期望實現的正弦氣隙磁場波形函數B=Bn1sinθ分成N等份，將其看成由N個彼此間隔的永磁磁勢序列產生的氣隙磁場合成的波形.用N個幅值為Bn2的不等寬矩形磁場分量波形來代替期望的正弦氣隙磁場波形，等效波形圖如圖3所示.使矩形波的中線和相應正弦波分割部分中線重合，且矩形波和相應正弦波分割部分的面積相等.第n塊磁鋼的弧長寬度為

(3)

式中：Bn1為正弦波磁場基波幅值；Bn2為方波磁場幅值；k=Bn1/Bn2.

圖3 等效波形圖Fig.3 Equivalent waveform

將期望得到的正弦氣隙磁密波形等效后，每一個矩形波的面積與對應的正弦波分割部分面積差值越小，等效后的波形越接近標準正弦波.當忽略其他影響因素時，分割值N越大，等效波形越接近標準正弦波.但由于磁場存在邊緣效應，若N取值過大，相鄰兩個方波所對應磁鋼位置磁密差值較小，磁場會經由隔磁橋向外分散，反而難以獲得期望的波形；同時如果N過大，每極磁鋼塊數較多，由于轉子空間有限，難以進行有效排列，也又增加了工藝難度，實用性和經濟性均有所降低.出于上述考慮，本文認為N=3、每極磁鋼分成4塊，既可以達到優化氣隙磁密波形的目的，也可以保證加工生產的便利性與經濟性.

對于采用“M”型磁路的轉子優化結構，首先應對磁鋼位置進行排布，遵循前文所述等效關系，極靴中間位置的磁密應高于兩側.由于極靴表面為正圓，因此氣隙長度不隨極靴位置不同而發生改變，即氣隙磁導均勻.欲改變氣隙磁密波形，應通過控制極靴不同位置的磁通來實現.本文在極靴中間位置放置兩塊呈“V”形排列的磁鋼，提供比兩側更高的磁通.這兩塊磁鋼之間的夾角過大，極靴表面磁通變化較小，難以有效優化氣隙磁密波形；反之，當夾角過小時，兩塊磁鋼工作點降低，不僅增加了退磁風險，也浪費材料，同時當夾角小到一定程度以后，會引起轉子鐵芯飽和.

根據式(3)得出3等份永磁體所占的弧長計算分別為：

1號磁鋼的弧長寬度為

(4)

2號和3號永磁體組成的“V”字型結構所占弧長寬度為

(5)

4號磁鋼的弧長寬度為

(6)

3 有限元建模與分析

本設計采用優化內置“M”型轉子磁路結構，“V”字型永磁體和兩側面“一”字型永磁體所使用的磁鋼材料均為釹鐵硼N42UH，該永磁體材料具有高剩磁密度、高磁能積、高矯頑力的特點，它的磁性能高于稀土鈷永磁，是目前磁性能最高的永磁材料，被廣泛應用于稀土永磁電機中[10].定子繞組采用單層鏈式繞制，定子和轉子鐵芯材料為DW310-50，磁場由永磁體建立，根據電機參數建立有限元分析模型，電機主要參數如表1所示.

表1 電機主要參數Tab.1 Main parameters of motor

根據建立的有限元模型，利用有限元軟件進行有限元分析.在進行空載有限元分析時，忽略邊緣效應及電機外緣漏磁場，由“M”轉子結構永磁體建立的磁場分布如圖4所示.由圖4可以看出，磁力線分別穿過定子、轉子、磁鋼和氣隙形成磁通環路.從圖4中還可以看出，在氣隙與定子齒之間存在著一些明顯的漏磁[11].優化轉子結構的諧波和傳統內置式永磁同步電機的諧波分別如圖5a、b所示.

圖4 “M”永磁電機空載磁力線分布Fig.4 Distribution of no-load magnetic force linefor “M-shape” permanent magnet motor

圖5 優化轉子結構諧波分析Fig.5 Harmonic analysis for optimized rotor structure

4 結 論

為了優化永磁同步電機氣隙磁密波形，減少氣隙磁場中的諧波含量，降低轉矩脈動和噪音振動，本文在保持均勻氣隙的情況下，通過改變磁極在空間的分布，使得氣隙磁密波形正弦化，并且利用有限元軟件進行了分析.由分析結果可得，優化轉子結構的氣隙磁密波形比傳統“一”字型轉子結構的氣隙波形更接近于正弦波，相應的基波諧波含量、三次諧波含量以及高次諧波含量都有所減小，氣隙磁密波形正弦畸變率也有所減小.由此可以看出諧波得到了有效抑制.

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(責任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Optimizationmethodforwaveformqualityofpermanentmagnetsynchronousmotorforelectricvehicles

ZHANG Bing-yi1, ZHANG Xiao-ting1, JIANG Shan-shan2

(1. School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. Department of Research and Development, Tangshan Pulinyiwei Science and Technology Co.Ltd., Tangshan 063000, China)

In order to improve the quality of electric vehicles and control the vibration and noise of permanent magnet synchronous motor, a new optimization method for air gap flux density waveform was proposed on the basis of the study on the relationship between both no-load air gap flux density waveform and rotor magnetic body structure of built-in permanent magnet synchronous motor. The distribution of flux density in space for a single magnetic pole was inhomogeneous under the uniform air gap. A novel “M-shape” rotor structure was designed, a finite-element analytical model for the permanent magnet synchronous motor with “M-shape” rotor structure was established, and the finite-element analysis was carried out. The results show that the air gap flux density waveform of“M-shape” rotor structure is close to the sine wave, the harmonic wave content of each component in the space of air gap flux density obviously reduces, the sinusoidal distortion rate of air gap flux density waveform also decreases, and the harmonic wave gets effectively suppressed.

electric vehicle; permanent magnet motor; vibration and noise; air gap flux density; inhomogeneous distribution; optimization of waveform quality; rotor structure; finite element analysis

TM 351

： A

： 1000-1646(2017)05-0481-05

2017-06-21.

國家自然科學基金資助項目(60424004)； 教育部重大項目培育基金資助項目(708027).

張炳義(1954-)，男，遼寧沈陽人，教授，博士生導師，主要從事特種電機及控制等方面的研究.

* 本文已于2017-08-01 12∶35在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170801.1235.024.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.05.01