高性價(jià)比車用永磁輔助磁阻同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

袁 皓

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高性價(jià)比車用永磁輔助磁阻同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

袁 皓

（中船重工資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理有限公司，北京100044）

通過對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用永磁輔助磁阻同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)分析，得出不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)磁阻轉(zhuǎn)矩的影響，在此基礎(chǔ)之上，對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，永磁輔助同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩中具有較強(qiáng)的磁阻轉(zhuǎn)矩分量，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低，安全性好，性價(jià)比高，在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)中有良好的應(yīng)用前景。

永磁輔助磁阻同步電動(dòng)機(jī) 電磁場(chǎng) 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 溫度場(chǎng)

0 引言

電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)該具有優(yōu)良的起動(dòng)性能和較寬調(diào)速區(qū)域，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮電機(jī)的高功率密度、低速時(shí)的大轉(zhuǎn)矩及調(diào)速區(qū)間的寬范圍。目前電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)大多采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)，但都存在較明顯的缺點(diǎn)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)效率和功率密度比較低，永磁電機(jī)基本都采用高性能燒結(jié)釹鐵硼，釹鐵硼材料成本較高。隨著更多電機(jī)制造企業(yè)進(jìn)入新能源汽車行業(yè)，競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能、效率、價(jià)格成本等方面的提出了更高的指標(biāo)要求。

永磁輔助磁阻同步電動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱永磁輔助同步電機(jī)）是一種充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩做功的永磁同步電機(jī)。永磁輔助磁阻同步電動(dòng)機(jī)采用內(nèi)置式、多層永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，具有較高的磁阻轉(zhuǎn)矩。由于磁阻轉(zhuǎn)矩最高可占到電磁轉(zhuǎn)矩的40%左右，從而可以用低磁性能和低價(jià)格的粘結(jié)釹鐵硼永磁材料代替高磁性能和高價(jià)格的燒結(jié)釹鐵硼永磁材料，使得電機(jī)的制造成本大幅降低，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前，德國、日本和韓國的公司紛紛推出新能源汽車驅(qū)動(dòng)用永磁輔助同步電機(jī)[1]。

本文通過有限元仿真方法對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)永磁輔助同步電機(jī)進(jìn)行電磁、結(jié)構(gòu)、溫度場(chǎng)分析，并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。所設(shè)計(jì)的永磁輔助同步電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)為：額定功率90 kW，峰值功率160 kW，供電電壓DC540 V，額定轉(zhuǎn)矩310 Nm，峰值轉(zhuǎn)矩660 Nm，額定轉(zhuǎn)速2800 rpm，最高轉(zhuǎn)速4500 rpm。

1 多種轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

永磁輔助同步電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩與內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選擇時(shí)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)設(shè)計(jì)安全、制造工藝性好。圖1和表1分別是不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)沖片圖和不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩比較。

圖1 三種轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)沖片

表1 三種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩

由表1可知，與“V”字形和“V一”字形永磁體排列方案相比，多層弧形永磁體排列方案永磁電機(jī)的總電磁轉(zhuǎn)矩中磁阻轉(zhuǎn)矩占比最高，而且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較低[2,3]。

2 永磁輔助同步電機(jī)電磁場(chǎng)分析[4]

2.1 電機(jī)基本參數(shù)及其結(jié)構(gòu)

90 kW永磁電機(jī)單元電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，定子72槽，轉(zhuǎn)子12極。定子采用q=2的短矩繞組，定轉(zhuǎn)子硅鋼片采用DW315，永磁體采用粘接釹鐵硼，牌號(hào)BNP-9H。

圖2 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2 空載計(jì)算

空載計(jì)算指定子繞組不通電流，只有永磁體單獨(dú)作用。此時(shí)，磁鋼平均工作溫度為95℃，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2800 r/min，轉(zhuǎn)子分5段斜極。

計(jì)算得到空載磁密分布云圖見圖3，氣隙中心處磁密的徑向分量波形見圖4。

圖3 空載磁密分布云圖

計(jì)算得到空載相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化曲線如圖5所示，其諧波分析如圖6所示，各次諧波值如表2所示。

表2 空載感應(yīng)電勢(shì)諧波分析表

2.3 負(fù)載計(jì)算

通過給定子繞組加載幅值正弦相電流，定子繞組按照工作溫度95℃計(jì)算得到負(fù)載磁密分布如圖7所示，負(fù)載氣隙磁密如圖8所示。

圖6 空載相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)諧波分析

圖7 負(fù)載磁密分布圖

圖8 負(fù)載氣隙磁密分布

計(jì)算得到電機(jī)的電流、電壓與相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)關(guān)系圖如圖9所示。

圖9 電機(jī)的電流、電壓與相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)關(guān)系圖

3 永磁輔助同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

永磁輔助同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)在保證轉(zhuǎn)子隔磁橋漏磁較小，提高永磁體利用率的情況下，還要對(duì)峰值轉(zhuǎn)速下4500 rpm轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，從而保證高速下電機(jī)結(jié)構(gòu)具有較大強(qiáng)度裕量。

在最大轉(zhuǎn)速4500 rpm時(shí)，在離心力的作用下，轉(zhuǎn)子沖片受力分析結(jié)果如圖10所示。其中最大mises合成應(yīng)力約為91 MPa，三段磁鋼槽連接處（0.8 mm厚度處）的應(yīng)力分別為26 MPa、42 MPa、77 MPa。徑向最大位移約0.007 mm。該方案中的沖片滿足強(qiáng)度要求[5]。

圖10 4500 rpm-0.8 mm-合成應(yīng)力

4 永磁輔助同步電機(jī)額定負(fù)載下溫度場(chǎng)分析

電機(jī)的冷卻設(shè)計(jì)對(duì)于電機(jī)的可靠運(yùn)行非常重要，此處采用對(duì)稱簡(jiǎn)化模型，模擬水路及繞組端部自然散熱模型，計(jì)算的邊界條件如下：

入口（機(jī)座出口）采用質(zhì)量流量入口。按機(jī)座入口體積流量為10 L/min計(jì)，入口質(zhì)量流量為0.167 kg/s，方向?yàn)檫M(jìn)口的法向方向。進(jìn)口水溫65℃。出口采用壓力出口，環(huán)境溫度50℃。

圖11 計(jì)算域模型（含流體域）

圖12 各部件溫度分布云圖

由表3可以看出，電機(jī)溫度最高處位于定子端部繞組區(qū)域，高達(dá)135.3℃，溫升為70.3 K。各部件溫升均在絕緣安全范圍內(nèi)，電機(jī)能持續(xù)穩(wěn)定安全運(yùn)行[6]。

表3 各部件溫度統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

開發(fā)低成本電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)永磁輔助同步電機(jī)具有重要意義。通過合理選擇永磁體性能和磁極結(jié)構(gòu)，永磁輔助同步電機(jī)不僅能滿足電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩要求，而且性能良好，振動(dòng)指標(biāo)低，特別是制造成本低，顯著提升新能源汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)中有著良好的應(yīng)用前景。本文通過對(duì)永磁輔助同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)多方案優(yōu)化、電磁空載及負(fù)載電磁場(chǎng)分析、峰值轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和額定負(fù)載下溫度場(chǎng)分析等多因素進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化及仿真分析，得出滿足電動(dòng)汽車特定使用要求的電機(jī)設(shè)計(jì)方案。

[1] OBATA M, MOＲIMOTO S, SANADA M, et al. Characteristic of PMASynRM with ferrite magnets for EV/HEV applications[C]. 2012 15th International Conference on Electrical Machines and Systems ( ICEMS). IEEE, 2012: 1-6．

[2] 張蔚. 內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與分析[D]. 東南大學(xué), 2007.

[3] 張清枝, 牛聯(lián)波, 艾永樂. 永磁輔助式同步電機(jī)性能分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2011.

[4] 劉國強(qiáng), 趙凌志, 蔣繼婭. Ansoft工程電磁場(chǎng)有限元分析[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2005.

[5] 郁亞南, 黃守道, 成本權(quán), 劉婷. 繞組類型與極槽配合對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)性能的影響[J]. 微特電機(jī), 2010.

[6] JEONG Y-H, KIM K, KIM Y-J, et al．Design characteristics of PMa-SynRM and performance comparison with IPMSM based on numerical analysis [C]//Proceedings of the 2012 International Conference on Electrical Machines ( ICEM2012). IEEE, 2012: 164-170．

Design of Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance Motor with High Cost Performance

Yuan Hao

（CSIC Asset Management Co., Ltd., Beijing 100044, China）

TM352

A

1003-4862（2017）06-0042-04

2017-03-13

袁皓（1974-），女，高級(jí)工程師。研究方向：電力電子技術(shù)。E-mail: 978736618@qq.com