電動汽車用表貼式永磁游標電動機分析與設計

單豐武，陳 紅

(1.江西江鈴集團新能源汽車有限公司，南昌 330008；2.濰坊光電創新創業服務中心，濰坊 261000)

0 引 言

近年來，為了保護環境、節約能源，牽引系統如汽車、火車及船舶等開始采用電力能源，以取代燃料能源。永磁電機以其高效率及高功率密度等優點在牽引系統應用中獲得了較多的關注[1]。研究表明，相對于表貼式永磁電機，內置式永磁電機具有更寬的功率范圍以及更好的過載能力，因此更適合應用于牽引系統[2-3]中。表貼式永磁游標電機由于具有高轉矩密度的特點[4]，也成為了近年來永磁電機領域的研究熱點。相比于傳統永磁同步電動機，表貼式永磁游標電動機定子繞組與轉子的極對數不相等，定子齒槽采用開口槽結構，其定子齒不僅起到導磁作用，同時起到磁場極數變換器的作用，使得轉子磁動勢經過齒部的調制作用，產生了極數與繞組極數相同，但轉速高于轉子機械轉速的磁場。這樣從外特性上看，一臺永磁游標電動機相當于一臺高速電動機與一臺虛擬電磁減速箱，因此永磁游標電動機具有較高轉矩密度[5]。同時，永磁游標電動機的結構和制造工藝相對簡單，單層氣隙結構使其完全能運用常規永磁電機的分析、設計和制造方法。此外，相比于傳統永磁電機，永磁游標電動機具有同步電感較大的固有特性，弱磁性能優于普通表貼式永磁電機，因此永磁游標電動機可在保證其弱磁性能需求的情況下，采用機械結構更為簡單的表貼式轉子結構。

本文分析并設計了一臺應用于牽引系統的12槽20極的表貼式永磁游標電動機，模型如圖1所示。該表貼式永磁游標電動機經過優化設計，與內置式永磁電動機Prius-2004的電磁性能進行了對比，包括反電勢、齒槽轉矩、轉矩、弱磁能力、損耗及效率。

圖1 12槽20極的表貼式永磁游標電動機結構

1 表貼式永磁游標電動機分析與設計

為保證對比的合理性，表貼式永磁游標電動機與Prius-2004內置式永磁同步電動機的體積、氣隙長度、銅耗均保持相同。表貼式永磁游標電動機與傳統表貼式永磁電動機結構相似，但是其定子繞組極對數ps與轉子永磁體極對數pr是不同的。根據經典的電磁理論，只有極數相同的磁場之間才有可能產生恒定轉矩，所以，永磁游標電動機中定子齒不僅起到導磁作用，還起到磁場調制作用，即極數變換器的功能，該效應又被稱為磁齒輪效應，該效應可以大幅提升游標電機轉矩輸出能力[4]。表貼式永磁游標電動機電機的ps,pr以及定子槽數z應滿足以下關系：

z=ps±pr

(1)

在永磁游標電動機中，定轉子極數比pr/ps是重要的設計參數。本文的表貼式永磁游標電動機采用12個定子槽，20個轉子極的配合，極數比為5，如圖1所示。該表貼式永磁游標電動機空載時的定子軛部磁密分布、磁力線分布分別如圖2和圖3所示。由圖2可以看出，在360°機械角度范圍內有2個周期的磁密分布，對應圖3中的4極的磁力線分布。

圖2 表貼式永磁游標電機空載氣隙磁密

圖3 表貼式永磁游標電動機空載磁力線分布

由于定子齒部磁導諧波對定子繞組及轉子磁極組合的極對數有調制作用，因此表貼式永磁游標電動機適合采用開口槽設計。表貼式永磁游標電動機槽開口大小對齒槽轉矩、輸出轉矩及轉矩波動的影響如圖4所示。可以看出，當電機采用開口槽(槽開口為21 mm)時具有最小的齒槽轉矩、最大輸出轉矩以及最小的轉矩波動。

經過優化設計的表貼式永磁游標電動機與Prius內置式永磁同步電動機的主要參數如表1所列。

(a) 齒槽轉矩

(b) 輸出轉矩及轉矩波動

參數Prius永磁同步電動機表貼式永磁游標電動機額定轉速nN/(r·min-1)12001200轉子極數2pr820定子槽數4812氣隙長度δ/mm0．7750．775疊片長度lst/mm83．183．1定子外徑Dso/mm269．24269．24定子內徑Dsi/mm161．926175轉子外徑Dro/mm160．376174．225轉子內徑Dri/mm110．64110．64永磁體寬度wPM/mm37．823．5永磁體長度lPM/mm6．56．5每相串聯匝數Ns7272鐵心材料M19＿29M19＿29永磁體材料N36Z＿20N36Z＿20相電阻@100℃，Rph/Ω0．09-直流銅耗@100℃，pCu/kW6．56256．5625剩磁@120℃，Br/T1．131．13

2 表貼式永磁游標電動機與內置式永磁同步電動機的對比

本文對于表貼式永磁游標電動機與Prius-2004內置式永磁同步電動機的若干電磁性能均進行了對比，包括空載性能(包括反電動勢和齒槽轉矩)、額定轉矩、弱磁能力和損耗。

2.1 空載性能對比

由于表貼式永磁游標電動機的定子磁場的旋轉速度是轉子磁場的pr/ps倍，因此反電動勢比傳統永磁電機更大，從而具有更高的轉矩密度。但是，由于該電機的漏磁較大，導致了反電動勢的增加倍數少于pr/ps。

首先對比表貼式永磁游標電動機與Prius-2004內置式永磁同步電動機的反電動勢，如圖5、圖6所示，其中兩電機的每相串聯匝數均為72。由圖5可以看出，表貼式永磁游標電動機的相反電動勢基波幅值為216.3 V，而Prius電機為96.3 V，兩者之比為2.16，小于極對數比(pr/ps=5)。這是因為表貼式永磁游標電動機的漏磁較大，從而主磁鏈比Prius電機略小。另外，表貼式永磁游標電動機反電動勢的諧波含量比Prius電機小得多，兩電機的總諧波失真(THD)分別為1.6%，7.2%(考慮第5次，7次，11次，13次諧波)，如圖6所示。

圖5 相反電動勢對比

圖6 反電動勢FFT對比

表貼式永磁游標電動機的齒槽轉矩與裂比(定子內徑與定子外徑比值)、齒寬等結構參數相關。當槽開口/槽距=0.5時，齒槽轉矩最小，然而此時該電機的輸出轉矩并不是最大的，但是由于齒槽轉矩在牽引應用中比較關鍵，因此本文的表貼式永磁游標電動機設計時采用槽開口/槽距=0.5。兩電機的齒槽轉矩波形對比如圖7所示.可以看出，表貼式永磁游標電動機的齒槽轉矩為2 N·m，略大于Prius-2004內置式永磁同步電機(1.6 N·m)。

圖7 一個周期內齒槽轉矩對比

2.2 轉矩對比

由上述分析可知，每相串聯匝數相同時表貼式永磁游標電動機的反電動勢更高，有限元仿真顯示額定運行條件下的線電壓也高于Prius-2004內置式永磁同步電動機。由于直流母線電壓會限制電機的輸出線電壓，因此在兩電機的直流母線電壓相同的條件下，需對兩電機的串聯匝數進行調整，從而保證線電壓相同，同時調整電流大小使兩電機的安匝數相同。根據該設計方法，Prius-2004內置式永磁同步電動機的基波相電壓為185.73 V，而表貼式永磁游標電動機匝數為12時為184.33 V，與Prius電機接近。

兩電機的額定轉矩波形如圖8所示。表貼式永磁游標電動機的平均轉矩為379 N·m，Prius電機則為347 N·m。表貼式永磁游標電動機的轉矩波動為8.4%，Prius電機為17.6%。對比可知，相比Prius電機，表貼式永磁游標電動機具有更好的轉矩及轉矩波動性能。因此，永磁游標電動機比傳統內置式永磁同步電動機在牽引應用中更有優勢。

圖8 轉矩對比

2.3 弱磁性能對比

當電機的特征電流小于額定電流時，理論上電機可以達到無限的高速。兩電機的特征電流、額定電流、磁鏈和電感數值如表2所示。可以看出，兩電機的特征電流均小于額定電流。因此，采用表貼式永磁游標電動機也具有很好的弱磁性能，如圖10所示。

表2 弱磁參數對比

圖9 表貼式永磁游標電動機的轉矩/功率隨轉速變化圖

2.4 損耗對比

本文中，電機的效率通過直流銅耗pCu，鐵耗pcore及永磁體損耗pPM進行計算對比。兩電機的損耗對比如圖10所示。與Prius電機相比，表貼式永磁游標電動機具有較高的鐵耗及永磁體損耗，其中，永磁體損耗為考慮分段后的結果。損耗隨轉速的變化如圖11所示。當電機低速時，直流銅耗占比較大；當電機高速運轉時，由于電流減小，直流銅耗下降，同時高頻導致鐵耗及永磁體損耗增加。圖12、圖13分別為Prius電機和表貼式永磁游標電動機的效率分布圖。可以看出，表貼式永磁游標電動機效率高于94%部分面積比Prius電機大。這是由于轉矩增大的速率比電流增加得慢，因此當滿足轉矩需要時表貼式永磁游標電動機所需的電流要更小，從而直流損耗減小更多，導致效率相對Prius電機要高。同樣的原因，也使得表貼式永磁游標電動機在高速時的效率高于Prius電機。

圖10 損耗對比

圖11 表貼式永磁游標電動機損耗隨轉速的變化

圖12 Prius電機效率圖

圖13 表貼式永磁游標電動機效率圖

3 實驗研究

原理樣機參數如表3所示，相應的樣機實物圖和測試平臺如圖14所示，其目的是驗證表貼式永磁游標電動機的電磁設計。為了減小齒槽轉矩和轉矩脈動，樣機的極弧系數取為0.833。考慮到樣機冷卻方式采用自然冷卻，繞組銅耗(包括端部在內)設計為160 W，線負荷設計為300 A/cm。

表3 樣機主要參數

(a) 樣機

(b) 空載實驗

(c) 負載實驗

圖15為樣機空載實驗結果。可以看到，隨著電機轉速的升高，空載反電動勢同比例增大；與有限元仿真結果相比，實驗測得的反電動勢與仿真結果非常吻合，誤差約為2%，驗證了分析的準確性。不同轉速下的電機效率測試結果如圖16所示，測試結果與仿真結果非常接近。額定工作點下，實驗測得輸出轉矩為20.4 N·m，功率因數為0.51；相應地，有限元仿真得到的輸出轉矩為20.2 N·m，功率因數為0.58。

圖15 線反電動勢隨轉速變化曲線

圖16 效率隨轉速變化曲線

4 結 語

本文設計并優化了一臺定子報數為4轉子極數為20的新型表貼式永磁游標電動機，在相同直流銅耗及電機體積的條件下，與Prius-2004內置式永磁同步電動機進行了對比，結論如下：

1) 在轉速、每相串聯匝數均相同情況下，表貼式永磁游標電動機的反電動勢是Prius-2004內置式永磁同步電動機的2.16倍，THD(包括第5次、7次、11次、13次諧波)為1.6%，而Prius-2004內置式永磁同步電動機為7.2%。

2) 通過齒寬設計可以有效減小表貼式永磁游標電動機的齒槽轉矩，本文設計值為0.25%。但是，在最大轉矩設計條件下，表貼式永磁游標電動機的齒槽轉矩大于Prius-2004內置式永磁同步電機。

3) 表貼式永磁游標電動機比Prius-2004內置式永磁同步電動機輸出轉矩高12%，同時具有較小的轉矩波動，分別為6%及17.6%。

4) 由于表貼式永磁游標電動機的定子磁場旋轉速度與轉子磁場不同，會在永磁體及轉子上產生較大的渦流損耗。

5) 采用表貼式永磁游標電動機具有較好的弱磁能力，適合于牽引應用中。

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[2] 陳文敏，劉征艮，劉海.電動汽車用調速永磁同步電動機分析與設計[J].微特電機，2014,42(11)：21-24.

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