新能源汽車增程器用外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

謝培利，席榮盛，崔 友

0 引言

電動(dòng)汽車配置増程器屬于重度混合動(dòng)力汽車，節(jié)油率可以到達(dá)30%~50%.可以有效增加電動(dòng)汽車的一次充電續(xù)行里程，降低車載電池的成本和重量。受車輛安裝空間的限制，要求增程器用永磁同步發(fā)電機(jī)的性能良好，具有高效率工作區(qū)域占比高的要求，并要求發(fā)電機(jī)的功率密度高和體積小。外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠；體積小，功率密度高；損耗小，效率高，高效率工作區(qū)域占比高；外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)與內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)相比，電機(jī)具有更高的功率密度，電機(jī)轉(zhuǎn)子散熱條件由于內(nèi)轉(zhuǎn)子，在同樣的電機(jī)重量下可以獲得更大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，不額外增加飛輪機(jī)殼滿足增程器的平穩(wěn)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。本文研究的增程器用外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)用于4.5 t輕卡、8~12 m公交大巴，電壓平臺(tái)為540 DCV.本文設(shè)計(jì)了一款額定轉(zhuǎn)速3 050 r/min，24槽32極的外轉(zhuǎn)子三相永磁同步發(fā)電機(jī)，給出了設(shè)計(jì)思路，并利用JMAG建立了這款發(fā)電機(jī)的二維有限元仿真模型，對(duì)模型的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、磁路分布情況，電機(jī)的反電勢(shì)、功率輸出、效率區(qū)域進(jìn)行仿真，并在此基礎(chǔ)上制造出樣機(jī)，完成空載測(cè)試、負(fù)載效率等測(cè)試，驗(yàn)證了二維有限元仿真性模型的正確性和分析的準(zhǔn)確性。

1 增程式增程器用外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

本方案的發(fā)電機(jī)額定直流母線電壓540 DCV，額定輸出功率在3 050 r/min時(shí)等于63 kW，最大輸出功率在2 500 r/min時(shí)大于87 kW，最高工作轉(zhuǎn)速5 000 r/min.最大輸出轉(zhuǎn)矩332 N·m，額定效率大于96%，在工作區(qū)內(nèi)效率大于85%的區(qū)域占比大于85%.

1.2 發(fā)電機(jī)主要尺寸的確定

電機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮的主要尺寸是電樞直徑Di1、鐵芯長(zhǎng)度Lef、長(zhǎng)徑比λ=Lef/Di1.由電機(jī)主要尺寸[1]關(guān)系可知：

式中：Temmax為最大轉(zhuǎn)矩（N·m），Bδ1為氣隙磁密基波幅值（T），A為定子電負(fù)荷有效值（A/cm）.

在保證發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)的條件由以下關(guān)系式[1]可知：

式中：p 為電機(jī)極數(shù)；tb為電機(jī)加速時(shí)間（s）；ωb為電機(jī)基本轉(zhuǎn)速（rad/s）；ρFe為轉(zhuǎn)子材料密度（g/cm3）.電機(jī)的長(zhǎng)徑比影響電機(jī)的性能和成本，一般在內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)中長(zhǎng)徑比在0.6~1.5之間浮動(dòng)。在增程器用

式中：Tem為電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）；ψm為磁鏈最大值（wb）；IDC為控制器輸入電流（A）.

電機(jī)的極數(shù)與電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩成正比。在磁鏈和電流被限定的情況下，綜合考慮電機(jī)的尺寸要求，電機(jī)極數(shù)越多越能獲得大的轉(zhuǎn)矩。外轉(zhuǎn)子電機(jī)定子位于里面，如采用常用的整數(shù)槽分布式繞組，在極數(shù)多的情況下，槽數(shù)將比較多，而槽的尺寸將比較小，造成槽的利用率小。分?jǐn)?shù)槽集中式繞組相比分布式繞組的端部短，使電機(jī)的總體長(zhǎng)度小，可以減少電機(jī)的銅耗，具有較高的功率密度和效率。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使電機(jī)的電流諧波小、齒槽轉(zhuǎn)矩小[2]。

1.4 永磁體的設(shè)計(jì)

增程器用永磁同步發(fā)電機(jī)與汽車內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)連接在一起，發(fā)電機(jī)所處的環(huán)境溫度較高，發(fā)電機(jī)的內(nèi)部溫度相對(duì)較高，因此需要永磁體具有較高的工作溫度；而且發(fā)電機(jī)的體積小，功率密度密度大，需要永磁體具有剩磁、矯頑力、最大磁能積高等特點(diǎn)。釹鐵硼永磁材料正是具有以上特點(diǎn)，并具有良好的機(jī)械性能，方便加工和安裝，最高工作溫度200℃的永磁體已經(jīng)大批量生產(chǎn)，具有優(yōu)秀的性價(jià)比。

外轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)有瓦片、式圓筒式和一字式。本方案的發(fā)電機(jī)采用一字式磁極，如圖1所示。外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)中由于受到安裝尺寸的制約和需要轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的要求，外轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)徑比相比內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)小。

1.3 發(fā)電機(jī)極數(shù)與槽數(shù)的確定

發(fā)電機(jī)的極數(shù)受到發(fā)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和控制器允許的最大輸出頻率限制。由電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系可知[1]：

圖1 一字式磁極形狀

永磁體采用一字式磁極，通過(guò)優(yōu)化，可以使氣隙磁密接近正弦，并有效地控制諧波的產(chǎn)生。采用瓦片式在生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的廢料較大，生產(chǎn)成本和價(jià)格高；圓筒式由于圓環(huán)較大而且極數(shù)多，現(xiàn)有的工藝無(wú)法批量生產(chǎn)。

在永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)中，永磁體尺寸的選擇非常重要。永磁體作為主要的磁通提供源，在設(shè)計(jì)中可以通過(guò)需要的氣隙磁密來(lái)預(yù)測(cè)確定永磁體的尺寸，根據(jù)永磁體的退磁工作點(diǎn)來(lái)確定厚度，根據(jù)反電勢(shì)的大小倆選取永磁體的寬度。再根據(jù)設(shè)計(jì)的其他要求不斷優(yōu)化調(diào)整。發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，必須保證電機(jī)在極端情況下永磁體不失磁和去磁而影響發(fā)電機(jī)性能。需要合理地設(shè)計(jì)永磁磁路的工作點(diǎn)，并進(jìn)行去磁校核計(jì)算。

2 增程式增程器用外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)的仿真

通過(guò)JMAG設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行有限元分析，其基本步驟如下：

（1）使用JMAG-Express進(jìn)行初步計(jì)算，并導(dǎo)出JMAG-Designer 2D分析模型。

（2）對(duì)2D模型進(jìn)行參數(shù)化處理。

（3）重新定義及材料分配。

（4）網(wǎng)格劃分。

（5）定義加載激勵(lì)源。

（6）求解參數(shù)設(shè)定。

（7）求解及后處理[3]。

發(fā)電機(jī)JMAG-Express模型如圖2所示，JMAGDesigner 2D分析模型結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖2 JMAG-Express模型

圖3 JMAG-Designer 2D分析模型

表1 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)表

3 增程式增程器用外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)的有限元仿真結(jié)果和分析

3.1 求解后的磁場(chǎng)和磁密分布

電機(jī)模型求解后，可以得到一系列的參數(shù)曲線和圖表，例如磁密云圖、反電勢(shì)波形、電流-轉(zhuǎn)矩圖、效率MAP圖。瞬態(tài)分析是由一系列的靜態(tài)分析組成，不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)不同的磁密分布。

3.2 磁密云圖

發(fā)電機(jī)由永磁體產(chǎn)生的磁密云圖和磁勢(shì)云圖如圖4所示。齒部尖角處局部飽和、最大磁密1.98 T.

圖4 磁密云圖

3.3 空載反電勢(shì)波形

發(fā)電機(jī)的反電勢(shì)波形如圖5所示，空載反電勢(shì)的有效值為1 V，反電勢(shì)中包含著一定的諧波含量。通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，調(diào)整定子齒的弧極尺寸和寬度提高氣隙磁密的正弦度，減少反電勢(shì)的諧波含量。

圖5 空載反電勢(shì)波形圖和傅里葉分解圖

3.4 電流—轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

增程器用發(fā)電機(jī)在工作，不是工作在一條轉(zhuǎn)矩曲線上，而是在一個(gè)區(qū)域工作。因此在不同轉(zhuǎn)速下不同轉(zhuǎn)矩時(shí)具有不同的電流。發(fā)電機(jī)的電流—轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速關(guān)系圖如圖6所示。

圖6 電流—轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

3.5 效率MAP圖

發(fā)電機(jī)在540 DCV電壓平臺(tái)下，發(fā)電機(jī)的效率MAP圖如圖7所示。發(fā)電機(jī)的最高效率達(dá)到96.79%，效率大于85%的區(qū)域大于98%，通過(guò)采用集中繞組減少銅耗、采用低損耗鐵芯材料、優(yōu)化發(fā)電機(jī)水冷散熱效率等措施，降低損耗，達(dá)到提高效率的目的。

圖7 效率MAP圖

4 制作樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照前述設(shè)計(jì)制作樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

實(shí)驗(yàn)條件如下：環(huán)境溫度：23~24℃，濕度：64~75%，冷卻水溫：65℃，直流電壓：540 DCV，用電力測(cè)功機(jī)臺(tái)架和汽車電機(jī)控制器進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試樣機(jī)的部分負(fù)載測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示，樣機(jī)的效率MAP圖如圖9所示。

表2 樣機(jī)負(fù)載部分測(cè)試值

圖9 效率MAP圖

從表2和圖9可以看出，發(fā)電機(jī)在進(jìn)行負(fù)載測(cè)試時(shí)，發(fā)電機(jī)的最高效率達(dá)到96.21%，效率大于92%的區(qū)域大于85.4%，電機(jī)的高效率占比較大，并且高效區(qū)位于發(fā)動(dòng)機(jī)常用高效區(qū)轉(zhuǎn)速2 500~4 000 rpm，轉(zhuǎn)矩100~250 N·m區(qū)域，達(dá)到電機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

在額定電壓下，計(jì)算理論值和樣機(jī)測(cè)試值進(jìn)行比較，如表3所示。從表3中可以看出，計(jì)算理論值和樣機(jī)測(cè)試值的誤差在0.1%~1.6%，驗(yàn)證了本方案的可靠性和數(shù)學(xué)模型的正確性。

表3 計(jì)算值和測(cè)試值

5 結(jié)束語(yǔ)

本文借助JMAG電磁仿真軟件建立外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)模型，完成了對(duì)外轉(zhuǎn)子永磁發(fā)電機(jī)的仿真研究。并制作樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)的測(cè)試值和理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果比較準(zhǔn)確地反映了電機(jī)的反電勢(shì)、轉(zhuǎn)矩、磁密分布、效率區(qū)域，為設(shè)計(jì)外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)的計(jì)算模型提供了基礎(chǔ)，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

[1]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論和設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997．

[2]王愛萌.新能源汽車新型電機(jī)的設(shè)計(jì)及弱磁控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[3]陳俊峰.永磁電機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[4]Vaclavek P，Blaha P.Interior permanent magnetsynchronous machine field weakening controlstrategy-the analytical solu tion[C]//InternationalConference on Instrumentation，Control andInformation Technology，2008：753-757.

[5]李春艷，寇寶泉，程樹康.永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁擴(kuò)速概況[J].微特電機(jī)，2008，36（1）：58-60.