低速電動(dòng)汽車用分?jǐn)?shù)槽內(nèi)置式永磁同步主驅(qū)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

張冠岳， 李匡成， 劉亞龍

（陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072）

0 引言

隨著新能源汽車的發(fā)展，電動(dòng)汽車越來越普遍，在汽車市場的比重也越來越大，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)汽車最為核心的部件，它的好壞將直接影響電動(dòng)汽車的性能。目前，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型主要有感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、無刷直流電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)等，其中永磁同步電動(dòng)機(jī)中內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、弱磁擴(kuò)速性能好、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車行業(yè)中應(yīng)用廣泛。

對于內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的場路耦合的設(shè)計(jì)方法，很難計(jì)算出精確的磁路設(shè)計(jì)結(jié)果，和實(shí)際的

電動(dòng)機(jī)差距比較大，研發(fā)周期長同時(shí)也增加了設(shè)計(jì)成本，隨著仿真軟件的發(fā)展，采用磁路計(jì)算方法和有限元法相結(jié)合的方式，能更準(zhǔn)確地計(jì)算出電磁設(shè)計(jì)結(jié)果，同時(shí)能縮短研發(fā)周期并節(jié)約設(shè)計(jì)成本。本文使用Ansoft Maxwell軟件進(jìn)行電動(dòng)機(jī)電磁方案的設(shè)計(jì),先在Rmxprt模塊進(jìn)行磁路設(shè)計(jì)，再導(dǎo)入Maxwell 2D中進(jìn)行有限元分析，針對影響電動(dòng)機(jī)弱磁擴(kuò)速的因素進(jìn)行分析，并通過仿真分析進(jìn)行驗(yàn)證。

1 永磁電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的本質(zhì)是合理地利用導(dǎo)磁材料和導(dǎo)電材料，電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的過程是一個(gè)反復(fù)迭代的過程，電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的總體流程框圖如圖1所示。

1.1 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：額定功率為10 kW，額定轉(zhuǎn)速為3500 r/min，最高轉(zhuǎn)速為6000 r/min，額定輸出最高效率不小于93%，500～5000 r/min為高效區(qū)，高效區(qū)額定輸出功率要求效率不小于90%，絕緣等級(jí)為H級(jí)，采用電池供電方式，直流側(cè)母線電壓330 V，連續(xù)工作制，自然風(fēng)冷，電動(dòng)機(jī)定子外徑不大于200 mm。

1.2 電磁負(fù)荷的確定

圖1 電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)總體流程框圖

電磁負(fù)荷高低取決于電動(dòng)機(jī)散熱方式和絕緣等級(jí)。根據(jù)絕緣等級(jí)H級(jí)和風(fēng)冷的設(shè)計(jì)要求，初選電流密度為6.1 A/mm2左右，線負(fù)荷為38 kA/m左右,定子齒磁密為1.5 T左右，定子軛磁密為1.4 T左右。氣隙磁密與永磁體的剩磁相關(guān)，永磁體的預(yù)估工作點(diǎn)為70%～80%剩磁，預(yù)估氣隙磁密為0.72 T。

1.3 電動(dòng)機(jī)主要尺寸的確定

電動(dòng)機(jī)主要尺寸的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中：D為電動(dòng)機(jī)定子沖片外徑；L為電動(dòng)機(jī)軸向長度；P為電動(dòng)機(jī)額定功率；Bgave為電動(dòng)機(jī)氣隙平均磁通密度；η為電動(dòng)機(jī)效率；cosφ為功率因數(shù)；n為額定轉(zhuǎn)速；q為每米安培導(dǎo)體數(shù)。q的表達(dá)式為

式中：Nph為電動(dòng)機(jī)每相繞組串聯(lián)總匝數(shù)；Iph為電動(dòng)機(jī)相電流。

通過上述兩個(gè)公式可以看出，電動(dòng)機(jī)尺寸確定后，電動(dòng)機(jī)的功率和電動(dòng)機(jī)繞組的匝數(shù)成正比[1]。在確定電動(dòng)機(jī)的主要尺寸后，電動(dòng)機(jī)的其他尺寸也基本確定，確定主要尺寸是設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵一步，關(guān)系到電動(dòng)機(jī)的體積、性能以及制造成本，本文電動(dòng)機(jī)的額定功率為10 kW，額定效率93%，額定轉(zhuǎn)速3000 r/min，轉(zhuǎn)子外徑不大于200 mm，根據(jù)上述公式，估算得到電動(dòng)機(jī)外徑為185 mm，軸向長度為95 mm。

1.4 定子繞組設(shè)計(jì)

本文電動(dòng)機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組，若極數(shù)較多時(shí)采用整數(shù)槽繞組，會(huì)導(dǎo)致開槽數(shù)較多，槽數(shù)多會(huì)降低槽空間的利用率。相比整數(shù)槽繞組，分?jǐn)?shù)槽繞組每極下繞組數(shù)大大減少，可以降低齒槽轉(zhuǎn)矩，同時(shí)可通過優(yōu)化槽形采用不均勻氣隙，減小氣隙磁場諧波含量。集中繞組相比于分布式繞組，繞組端部長度減小，有利于降低銅耗和電動(dòng)機(jī)的放熱情況，提高電動(dòng)機(jī)的效率和功率密度。

分?jǐn)?shù)槽繞組每極每相槽數(shù)為

式中：m為電動(dòng)機(jī)相數(shù)；p為電動(dòng)機(jī)極對數(shù)；Z為電動(dòng)機(jī)定子槽數(shù)；N/d為不可約分?jǐn)?shù)。

通過槽電勢星形圖可分析電動(dòng)機(jī)繞組的基本情況，利用單元電動(dòng)機(jī)可方便畫出電勢星形圖[2]。當(dāng)d為奇數(shù)時(shí)，單元電動(dòng)機(jī)數(shù)t=p/d，單元電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)p0=d，槽數(shù)z0=6N；當(dāng)d為偶數(shù)時(shí)，單元電動(dòng)機(jī)數(shù)t=2p/d，單元電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)p0=d/2，槽數(shù)z0=3 N。

本文采用12槽8極的槽極配合，槽電勢星形圖如圖2所示。

圖2 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢星形圖

電動(dòng)機(jī)繞組每相最大并聯(lián)支路數(shù)amax取決于單元電動(dòng)機(jī)數(shù)t，每個(gè)單元電動(dòng)機(jī)可構(gòu)成一條支路，其計(jì)算公式為

電動(dòng)機(jī)的并聯(lián)支路數(shù) 可 為 1、2、4。本文繞組并聯(lián)支路數(shù)選4，采用集中繞組節(jié)距為1,繞組連接圖如圖3所示。

1.5 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

本文電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速較高，采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)可靠性更高，并且采用V形磁鋼結(jié)構(gòu)，有利于電動(dòng)機(jī)性能的提高和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，為了讓電動(dòng)機(jī)有良好的弱磁擴(kuò)速能力并且提高弱磁區(qū)電動(dòng)機(jī)的效率，針對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對弱磁性能的影響進(jìn)行分析。

圖3 電動(dòng)機(jī)繞組連接圖

IPM電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速的極限公式為

式中：ulim為dq坐標(biāo)系下電壓極限圓的值；idm為dq坐標(biāo)系下的d軸電流的最大值；Ψf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈。

通過上述公式可以看出，電動(dòng)機(jī)的弱磁極限轉(zhuǎn)速主要取決于Ψf－Ldidm的值，差值越小，電動(dòng)機(jī)弱磁時(shí)轉(zhuǎn)速就越高，增大弱磁轉(zhuǎn)速，從電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)上主要有兩種方法提高弱磁區(qū)間，減小轉(zhuǎn)子磁鏈或增加直軸電感[3]。采取適當(dāng)減小永磁體的長度來減小轉(zhuǎn)子磁鏈大小，并且優(yōu)化設(shè)計(jì)磁橋的長度來增加直軸電感。

針對設(shè)計(jì)指標(biāo)還需要考慮弱磁區(qū)的效率，通過降低轉(zhuǎn)子磁勢和增加直軸電感的方法，也降低了所需直軸電流的大小，直軸電流作用為削弱氣隙磁場，是無功分量，減小直軸電流分量降低了

定子銅耗，從而提高電動(dòng)機(jī)效率。電動(dòng)機(jī)在弱磁區(qū)的效率也與輸出轉(zhuǎn)矩有關(guān)，提高弱磁時(shí)的轉(zhuǎn)矩可進(jìn)一步提高高效區(qū)間。

IPM電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出公式為

式中：Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；p為電動(dòng)機(jī)極對數(shù)；iq為電動(dòng)機(jī)交軸電流。

圖4 永磁體槽間隔厚度分別與交軸電感和電動(dòng)機(jī)輸出平均轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

由上述公式可知，IPM電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩由兩部分組成，分別為永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩。弱磁調(diào)速時(shí)，如果能有效利用磁阻轉(zhuǎn)矩，則可輸出更大的電磁轉(zhuǎn)矩，同時(shí)提高電動(dòng)機(jī)在弱磁區(qū)的效率。提高磁阻轉(zhuǎn)矩主要通過提高電動(dòng)機(jī)的凸極率，本文通過減小交軸磁阻的途徑增加交軸電感，提高凸極率增大磁阻轉(zhuǎn)矩，進(jìn)一步提高電動(dòng)機(jī)在弱磁區(qū)的轉(zhuǎn)矩輸出，從圖4可以看出，增加磁極槽間隔厚度可以提升q軸電感，同時(shí)增加了電動(dòng)機(jī)輸出的平均轉(zhuǎn)矩，本文永磁體槽間隔厚度為5 mm。

1.6 設(shè)計(jì)結(jié)果輸出

電動(dòng)機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組，磁極結(jié)構(gòu)為內(nèi)置式V形磁鋼，電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖5所示，電動(dòng)機(jī)的各部分結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示，定子槽型為斜肩平底槽，槽型如圖6所示，

2 有限元建模分析

將設(shè)計(jì)好的電動(dòng)機(jī)各部分參數(shù)，如定轉(zhuǎn)子直徑、鐵心長度、槽形、永磁體尺寸等各部分尺寸導(dǎo)入到Maxwell中的RMxprt模塊，生成電動(dòng)機(jī)模型，添加材料屬性后生成Maxwell 2D模型，同時(shí)設(shè)置電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件、設(shè)置充磁方向、添加激勵(lì)源、邊界條件并對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行剖分[4]，電動(dòng)機(jī)的剖分圖如圖7所示，整體網(wǎng)格分布比較合理，氣隙和永磁體的網(wǎng)格密一些，定子齒部和軛部網(wǎng)格疏些，不影響精度也能加快計(jì)算速度。

表1 電動(dòng)機(jī)參數(shù)表

圖5 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖6 定子槽形

運(yùn)行有限元模型計(jì)算電動(dòng)機(jī)性能，圖8為電動(dòng)機(jī)磁力線分布圖，從圖中可以看出電動(dòng)機(jī)無明顯漏磁，圖9為氣隙磁場云圖，顯示電動(dòng)機(jī)磁場分布均勻，無局部過飽和現(xiàn)象[5]。為了檢驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍和高效區(qū)間，計(jì)算了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩效率map圖，如圖10所示，由圖可知，額定轉(zhuǎn)速時(shí)電動(dòng)機(jī)最高輸出效率為95%，500～5500 r/min為高效區(qū)，高效區(qū)額定輸出效率不小于90%，綜上電磁方案總體滿足性能指標(biāo)。

3 電動(dòng)機(jī)熱路分析

圖7 電動(dòng)機(jī)剖分圖

圖8 電動(dòng)機(jī)磁力線分布圖

圖9 氣隙磁場云圖

圖10 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩效率map圖

設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)能否正常工作，與電動(dòng)機(jī)溫升和散熱是分不開的，將RMxprt電動(dòng)機(jī)模型導(dǎo)入到Motercad中進(jìn)行熱路分析[6]，對電動(dòng)機(jī)模型添加機(jī)殼和風(fēng)扇部件，設(shè)置冷卻方式為風(fēng)冷，機(jī)殼和散熱風(fēng)扇結(jié)構(gòu)如圖11所示，設(shè)置環(huán)境溫度、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、硅鋼片疊加系數(shù)等參數(shù)，電動(dòng)機(jī)的熱源主要包括定子鐵耗、銅耗、轉(zhuǎn)子渦流損耗等，在生成熱模型時(shí)各部分損耗已經(jīng)添加到Motorcad中了，鐵耗平均分配到了定轉(zhuǎn)子硅鋼片中。

圖11 電動(dòng)機(jī)的機(jī)殼和散熱風(fēng)扇

運(yùn)行電動(dòng)機(jī)熱路模型，環(huán)境溫度設(shè)置為40℃，計(jì)算電動(dòng)機(jī)在額定工況下瞬態(tài)的溫升，熱路計(jì)算結(jié)果如圖所示，由圖12可以看出繞組最高溫度為87℃，遠(yuǎn)小于H絕緣等級(jí)允許的180℃，圖13為電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)軸向和徑向溫度分布，可以看出永磁鐵溫度在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)溫度最高為50.5℃，遠(yuǎn)小于120℃的高溫退磁溫度。熱路計(jì)算結(jié)果如圖14所示，電動(dòng)機(jī)的熱路圖顯示了樣機(jī)熱路模型中包括繞組、定轉(zhuǎn)子鐵心以及永磁體等部件在內(nèi)的主要結(jié)構(gòu)溫度分布。由上述各圖可知，電動(dòng)機(jī)各部分溫升符合設(shè)計(jì)要求。

圖12 電動(dòng)機(jī)瞬態(tài)溫度曲線

圖13 電動(dòng)機(jī)徑向和軸向溫度分布

圖14 電動(dòng)機(jī)熱路圖

4 結(jié) 語

本文分析了影響永磁同步電動(dòng)機(jī)寬調(diào)速范圍和高效區(qū)面積的因素，得出影響電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)主要是轉(zhuǎn)子磁鏈和直軸電感，通過減小轉(zhuǎn)子磁鏈或增加直軸電感，可增加電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍。并且針對提高弱磁區(qū)的效率，得出應(yīng)降低定子銅耗和提高電動(dòng)機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩。根據(jù)低速電動(dòng)汽車的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，應(yīng)用上述方法設(shè)計(jì)了一臺(tái)分?jǐn)?shù)槽內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)，建立了有限元電動(dòng)機(jī)模型和電動(dòng)機(jī)熱路模型并進(jìn)行仿真運(yùn)算，通過仿真結(jié)果和上述仿真分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性，滿足電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的指標(biāo)。