電動汽車輪邊直驅永磁電機轉矩脈動優化

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0 引言

電動汽車對永磁電機的轉矩脈動有很嚴格的限制，轉矩脈動的大小直接影響電動汽車行駛的平順性，而采用輪邊直驅的方式對轉矩脈動更是敏感，所以在設計永磁電機的時候對轉矩脈動要重點考慮，采取措施削弱以降低到最小。

通過對一輛傳統某汽車SUV車型AX7進行改裝，保留加速踏板和制動踏板，對轉向系統及動力系統進行了改裝。動力方面采用兩臺30kW永磁電機直接進行驅動車輪，兩臺電機直接在輪邊布置，動力由電機經過減速器直接輸出到車輪，利用轉子斜槽和繞組短距的方式來削弱轉矩脈動，經過優化后額定轉矩的脈動由開始的13.71%降低到5.3%峰值轉矩脈動由18.1%降低到2.59%，驗證了所采用的優化的方法是可行的。

1 輪邊直驅永磁電機系統結構

圖1為輪邊直驅永磁電機系統結構示意圖，本文研究的輪邊直驅轉向系統由兩個永磁電機和兩個減速箱一體化設計，電機安裝在簧上，不會增加簧下質量，所以對整車的懸掛沒有特殊要求，沿用原來的懸掛系統就可以改裝前輪為驅動輪和轉向輪，而后輪作為從動輪。整車控制器通過接收駕駛員的控制指令，比如加速踏板動作，制動踏板動作，方向盤轉向等，每個指令下達，控制器會對電機做出相應的控制，轉向時通過計算兩個電機需要的不同的轉速，使兩個車輪形成速度差來實現轉向。

圖1 輪邊直驅永磁電機結構示意圖

2 齒槽轉矩的削弱

由于氣隙磁密直接表征了齒槽轉矩的強度，當氣隙磁密減小的時候齒槽轉矩也會隨之降低，但是氣隙磁密與電機能輸出的轉矩大小息息相關，所以在選擇永磁體的時候既要滿足能夠輸出足夠大的轉矩也要兼顧抑制齒槽轉矩，所以一般選取空載氣隙磁密強度在0.7T～0.75T。仿真得到磁密仿真結果如圖2所示，對得到的氣隙磁密進行傅里葉分解得到了各次諧波的幅值，仿真得到氣隙磁密傅里葉分解如圖3所示。可見各次諧波的含量得到了很好的抑制。諧波的抑制直接體現在電機的噪聲和振動上，諧波對轉矩沒有幫助，相反的帶來的是損耗的變大，和明顯的振動噪聲。所以諧波要在源頭上給予抑制。

圖3 氣隙磁密傅里葉分析

從加工角度看，加工位置精度的把握和尺寸精度的把握也會對齒槽轉矩有很大的影響。電磁設計部分一般采用斜極或者斜槽的方式來實現對諧波的抑制，斜槽是指徑向磁場電機中的定子或者永磁體沿軸向錯開一定的角度，一般是將定子或者永磁體斜過半個或者一個槽距，這個槽距跨過諧波周期。采用這種方法理論上可以完全消除各種諧波轉矩也可以抑制齒槽轉矩的大小，但是加工誤差是不可避免的存在，也會極大地提升了加工難度，對工藝的要求也會隨之上升。所以采用斜槽的方法不能將諧波成分完全去除。斜槽后會增加導體的占槽面積會增大電機的銅耗，而且采用斜槽以后會削弱電機的輸出轉矩和效率。由于采用定子斜槽不利于自動化下線，在量級比較小的電機制作中才會采用斜槽的方法。

另一種方法是采用斜極，斜極相對于斜槽而說加工難度及工藝難度更大，成本更高，斜極是指將軸向方向上的多段永磁體錯開一定的角度，和斜槽一樣都是跨過諧波周期和齒槽轉矩的周期來削弱諧波成分的。斜極工藝適合量級很大的電機的生產加工，利于自動化下線。出于量產的角度考慮，電機采用斜極方式。當令齒槽轉矩的表達式為零的時候可以求得削弱齒槽轉矩所需要的角度，讓所斜的角度跨過所有的齒槽轉矩的周期可得

當定子斜過這個角度的時候，齒槽轉矩的表達式為

=0

圖4是經過場算分別得到斜極和未斜極兩種狀態下對齒槽轉矩仿真的結果，可以看到電機未斜極時的齒槽轉矩峰值達到了0.48 N·m而且諧波成分也比較多，當經過斜極后再次進行齒槽轉矩的仿真得到齒槽轉矩的峰值為0.13N·m可以看到諧波成分也減小了很多。

圖4 斜極前后的齒槽轉矩對比

3 額定轉矩和峰值轉矩脈動的削弱

空載反電動勢是表征電機性能的關鍵參數，空載反電動勢在理想狀態下應該是正弦波，但是由于定子開槽、永磁體產生的磁路分布和繞組的設計存在不可抗拒的因素會有諧波成分產生，這些諧波成分對電磁噪音和轉矩的脈動有很大影響，所以在電磁設計的時候要考慮這些因素對諧波的影響，采取措施將諧波成分降低到最低，諧波的抑制除了需要對工藝提出較高的要求之外。也需要在電磁設計時加以重點考慮。

下面通過對所設計的永磁電機采用斜極和未斜極的方案進行場算得到空載線反電勢進行對比，比較兩種情況下的諧波含量。通過仿真得到結果如圖5所示，根據圖5可以看出當設計的電機未斜極的時候，反電勢波形毛刺比較多，說明各次諧波含量比較大，波形震蕩比較明顯，此時對應的空載反電動勢峰值為623.38V，圖中曲線的實線是斜極后的空載線反電動勢的波形，可以看到斜極后削弱了一部分的反電動勢，斜極后的空載反電動勢的峰值為516.59V，根據圖5可以明顯看出經過斜極后的空載反電動勢波形變的平順了許多。

圖5 斜極前和斜極后空載線反電勢對比

經過對內功角進行掃描后得到在額定電流為51A、內功角為20的時候出現最大的額定轉矩，可以看到當沒有斜極處理的時候額定轉矩的大小為63.79N·m，對應的峰值為12.86N·m轉矩脈動達到了13.71%，此時的轉矩脈動很明顯，對電機的振動噪聲有很大的影響，當采用斜極以后雖然削弱了一部分額定轉矩，斜極后的額定轉矩為62.64N·m對應的峰值為3.36N·m，轉矩脈動為5.3%，經過場算仿真對內功角進行掃面后得到在電流為132A，內功角為31.5的時候出現最大的峰值轉矩可得到未斜極的時候的峰值轉矩為166.25N·m，峰值為30.19N·m，轉矩脈動為18.1%，斜極之后對轉矩有一定的削弱，斜極后的峰值轉矩大小為163.53N·m，峰值為4.24N·m。轉矩脈動為2.59%，經過斜極后雖然削弱了一部分的轉矩輸出，電動汽車使用的驅動電機，轉矩脈動的抑制是必要的，轉矩脈動抑制以后會對整個電機的NVH有很大的改善，可見斜極之后對轉矩脈動的抑制作用很明顯。圖6和圖7分別是為斜級前和斜級后的額定轉矩和峰值轉矩。

圖6 斜極前和斜極后額定轉矩

圖7 斜極前和斜極后峰值轉矩

4 結語

永磁電機是現階段最適合電動汽車使用的動力源，相對于傳統電機，永磁電機功率密度更大，是現階段電動汽車的主導發展方向。而輪邊直驅能將動力源的損失降低到極致，本文通過斜級和繞組短距的方法將轉矩脈動降低到很低水平，利用有限元仿真驗證了所采用的方法是可行的。