電動(dòng)汽車(chē)分布繞組鐵氧體電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

易夢(mèng)云，李新華，汪思敏，劉光華

(湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068)

0 引 言

電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用鐵氧體永磁輔助式磁阻同步電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鐵氧體電機(jī))逐漸受到人們的關(guān)注[1-3]。與電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)相比，鐵氧體電機(jī)在電磁設(shè)計(jì)上存在一定差異。文獻(xiàn)[4]就電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用集中繞組鐵氧體電機(jī)極槽配合、不可逆退磁等問(wèn)題進(jìn)行了研究，但沒(méi)有涉及分布繞組鐵氧體電機(jī)電磁設(shè)計(jì)問(wèn)題。

國(guó)外一些學(xué)者就電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用分布繞組鐵氧體電機(jī)電磁設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[5-6]研究了電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用4極24槽鐵氧體電機(jī)抗去磁問(wèn)題，重點(diǎn)討論了轉(zhuǎn)子“U”形磁鋼槽大小及位置對(duì)不可逆去磁的影響，但沒(méi)有就極槽配合等對(duì)鐵氧體電機(jī)轉(zhuǎn)矩能力的影響進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[7]介紹了電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用55 kW鐵氧體電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方案以及電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性的仿真方法和結(jié)果，并分析了惡劣工況下鐵氧體磁鋼的不可逆退磁，但沒(méi)有討論d軸磁鋼槽層數(shù)以及磁鋼切向不分段對(duì)電機(jī)性能的影響。文獻(xiàn)[8]研究了鐵氧體電機(jī)轉(zhuǎn)子“月”形磁鋼槽時(shí)的抗電樞反應(yīng)去磁問(wèn)題，詳細(xì)分析了磁鋼不同充磁方向厚度、弧長(zhǎng)以及隔磁結(jié)構(gòu)形狀等對(duì)去磁能力的影響，但沒(méi)有研究“月”形磁鋼槽轉(zhuǎn)子鐵氧體電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率。本文以60 kW電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用鐵氧體電機(jī)為例，采用計(jì)算機(jī)仿真方法，研究分布繞組鐵氧體電機(jī)電磁設(shè)計(jì)中極槽配合、磁鋼布置對(duì)轉(zhuǎn)矩能力和性能的影響，同時(shí)討論鐵氧體磁鋼的不可逆退磁問(wèn)題，得出能夠指導(dǎo)工程實(shí)踐的有益結(jié)論。

1 極槽配合

與集中繞組鐵氧體電機(jī)相同，極槽配合與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力和性能密切相關(guān)。分布繞組鐵氧體電機(jī)可以選擇的極槽配合比較多，需要進(jìn)行多個(gè)極槽方案的比較分析。

本文研究鐵氧體電機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所示，定子鐵心外徑和軸向長(zhǎng)與同規(guī)格釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)基本相同。

表1 鐵氧體電機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)

分布繞組鐵氧體電機(jī)極數(shù)太少會(huì)影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力，極數(shù)太多又使轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般選擇6極或8極，這里討論6極鐵氧體電機(jī)方案。

下面討論6極/36槽、6極/45槽和6極/54槽三種極槽配合方案，其中6極/36槽和6極/54槽為整數(shù)槽繞組，6極/45槽為分?jǐn)?shù)槽繞組。圖1是三種極槽配合鐵氧體電機(jī)的仿真模型，轉(zhuǎn)子均采用四層“U”形磁鋼槽結(jié)構(gòu)，槽內(nèi)全部放置磁鋼。對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行負(fù)載仿真，圖2是不同極槽配合鐵氧體電機(jī)額定和峰值電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)的仿真波形，表2為三種極槽配合鐵氧體電機(jī)的仿真結(jié)果。

(a) 6極/36槽

(b) 6極/45槽

(c) 6極/54槽

圖1不同極槽配合電機(jī)的仿真模型

(a) 6極/36槽

(b) 6極/45槽

(c) 6極/54槽

圖2 不同極槽配合電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形

從表2可以看出，額定和峰值轉(zhuǎn)矩工況時(shí)，6極/45槽所需電流最小，6極/54槽次之，6極/36槽最大。額定轉(zhuǎn)矩工況電流相差并不大；峰值轉(zhuǎn)矩工況電流就相差很大，如6極/36槽電流比6極/45槽大70A。顯然，6極/45槽鐵氧體電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力和性能優(yōu)于其它兩種電機(jī)。可見(jiàn)，極槽配合對(duì)鐵氧體電機(jī)峰值工況轉(zhuǎn)矩能力有較大影響。

進(jìn)一步觀察，6極/36槽電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩工況磁阻轉(zhuǎn)矩占比最低，這與該工況電機(jī)的磁場(chǎng)分布狀況有關(guān)。圖3是三種極槽配合峰值轉(zhuǎn)矩工況時(shí)電機(jī)的磁場(chǎng)云圖。比較三種極槽配合時(shí)q軸定、轉(zhuǎn)子磁路的飽和狀況發(fā)現(xiàn)，6極/36槽電機(jī)飽和程度比其它兩種極槽配合的重，說(shuō)明該電機(jī)q軸電感下降較多，導(dǎo)致磁阻轉(zhuǎn)矩下降，電流增大。

(a) 6極/36槽

(b) 6極/45槽

(c) 6極/54槽

圖3不同極槽配合電機(jī)峰值工況磁場(chǎng)仿真云圖

2 磁鋼布置

鐵氧體電機(jī)轉(zhuǎn)子有多層磁鋼槽，磁鋼布置比較靈活。在選擇磁鋼布置方式時(shí)需要考慮多種因素，包括轉(zhuǎn)矩能力與性能、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與制造工藝以及磁鋼不可逆退磁等。關(guān)于磁鋼不可逆退磁問(wèn)題，下一章節(jié)有專(zhuān)門(mén)討論。

目前鐵氧體電機(jī)轉(zhuǎn)子以開(kāi)“U”形磁鋼槽居多，磁鋼放置方式有兩種：一種是轉(zhuǎn)子“U”形磁鋼槽內(nèi)全部放置磁鋼；另一種只在轉(zhuǎn)子“U”形磁鋼槽的d軸上放置磁鋼。前者每極磁鋼數(shù)目和規(guī)格較多，放置磁鋼比較費(fèi)時(shí)；后者每極磁鋼數(shù)目和規(guī)格較少，放置磁鋼也相對(duì)容易。還有一種“月”形磁鋼槽形，每層放置“月”形磁鋼的切向?qū)挾群蛷较蚝穸榷疾灰粯樱@種磁鋼制作成本比較高。

下面討論6極/45槽配合條件下三種磁鋼放置方式對(duì)鐵氧體電機(jī)轉(zhuǎn)矩能力與性能的影響。圖4是磁鋼不同放置方式6極/45槽鐵氧體電機(jī)的仿真模型。與圖1不同的是，圖4中的磁鋼槽內(nèi)的磁鋼切向沒(méi)有分段，而圖1中的槽內(nèi)磁鋼切向分成了兩段。

(a) 全放置

(c) “月”形槽放置

圖4磁鋼不同放置方式電機(jī)的仿真模型

對(duì)圖4鐵氧體電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行仿真，圖5是鐵氧體電機(jī)額定和峰值轉(zhuǎn)矩工況電磁轉(zhuǎn)矩的仿真波形，表2為鐵氧體電機(jī)的仿真結(jié)果。

(a) 全放置

(b) d軸放置

(c) 月形槽放置

圖5 磁鋼不同放置方式電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形

從表3可以看出，“月”形磁鋼槽鐵氧體電機(jī)的額定和峰值轉(zhuǎn)矩電流都最小，表明其轉(zhuǎn)矩能力最強(qiáng)，同時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率最低，磁鋼也只放置了3層，不考慮磁鋼制造成本，“月”形磁鋼槽是鐵氧體電機(jī)優(yōu)選的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。“U”形磁鋼槽磁鋼全放置鐵氧體電機(jī)的額定和峰值轉(zhuǎn)矩電流比“月”形磁鋼槽電機(jī)的略大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率較低，也是一個(gè)不錯(cuò)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案。“U”形磁鋼槽d軸放置磁鋼鐵氧體電機(jī)的額定和峰值轉(zhuǎn)矩電流以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率最大，但這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其結(jié)構(gòu)還有進(jìn)一步的優(yōu)化空間。

圖6是d軸放置磁鋼鐵氧體電機(jī)優(yōu)化后的電機(jī)模型。與圖4(b)不同，現(xiàn)在“一”字形磁鋼的切向?qū)挾群蛷较蚋叨榷疾幌嗟龋肄D(zhuǎn)子磁鋼槽由原來(lái)的4層變?yōu)?層。圖7是其電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形，額定和峰值轉(zhuǎn)矩電流分別為147 A和350 A，額定和峰值轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率分別為5.8%和9.7%，優(yōu)化后電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力有所提高，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率明顯降低。可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子磁鋼槽層數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩能力并非越強(qiáng)。這是因?yàn)閷訑?shù)增多后q軸磁路變得更加狹窄，磁路飽和程度加重，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩能力下降。

圖6優(yōu)化后的d軸放置磁鋼電機(jī)模型

圖7優(yōu)化后電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形

3 不可逆退磁

鐵氧體是一種硬質(zhì)陶瓷材料，能耐受惡劣環(huán)境；但溫度特性與釹鐵硼不同，即鐵氧體剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度呈負(fù)溫度系數(shù)，矯頑力呈正溫度系數(shù)，也就是退磁曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)隨著溫度的升高向左邊移動(dòng)。圖8是兩個(gè)不同牌號(hào)鐵氧體的退磁曲線，F(xiàn)B9B低溫-60℃、-20℃退磁曲線在第二象限出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)；而FB9H內(nèi)稟矯頑力較高，退磁曲線在第二象限沒(méi)有轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在第三象限。

(a) FB9B

(b)FB9H

圖8兩個(gè)不同牌號(hào)鐵氧體的退磁曲線

電動(dòng)汽車(chē)鐵氧體電機(jī)通常要考察 -20°C 時(shí)鐵氧體磁鋼的不可逆退磁風(fēng)險(xiǎn)。下面分析圖4(a)分別采用FB9B和FB9H兩個(gè)牌號(hào)磁鋼時(shí)，鐵氧體電機(jī)在峰值轉(zhuǎn)矩工況下是否出現(xiàn)不可逆退磁現(xiàn)象。圖9是鐵氧體電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩工況時(shí)的磁場(chǎng)仿真云圖，圖10是鐵氧體磁鋼觀測(cè)線處的磁密波形，圖10(a)是圖9(a)中第一層中間磁鋼表面AB段觀測(cè)線上的磁密波形，圖10(b)是圖9(b)中第一層中間磁鋼表面CD段觀測(cè)線上的磁密波形。從圖10(a)可見(jiàn)，觀測(cè)線上一處最低磁密為 - 0.403 T，在該牌號(hào)磁鋼 -20℃退磁曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)以下，表明磁鋼出現(xiàn)了不可逆退磁；圖10(b)鐵氧體電機(jī)磁鋼為FB9H，觀測(cè)線上一處最低磁密為0.009 T，而該牌號(hào)磁鋼 -20℃退磁曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)在第三象限，故沒(méi)有出現(xiàn)不可逆退磁。

(a) FB9B

(b)FB9H

圖9不同牌號(hào)磁鋼鐵氧體電機(jī)的磁場(chǎng)云圖

(a) 磁鋼AB觀測(cè)線上的磁密波形

(b)磁鋼CD觀測(cè)線上的磁密波形

圖10鐵氧體磁鋼觀測(cè)線上的磁密波形

日本TDK公司三種不同牌號(hào)鐵氧體永磁材料的性能參數(shù)比較如表4所示，牌號(hào)為FB14H鐵氧體磁鋼的內(nèi)稟矯頑力達(dá)430 kA/m。如果在上述電機(jī)中采用FB14H鐵氧體磁鋼，圖11是鐵氧體電機(jī)通入340 A(約2.38倍額定電流)過(guò)載電流時(shí)的磁場(chǎng)仿真云圖，圖12是鐵氧體磁鋼觀測(cè)線處的磁密波形，觀測(cè)線EF上磁密全為正值，磁鋼未出現(xiàn)不可逆退磁現(xiàn)象。進(jìn)一步仿真表明，若繼續(xù)加大電流，磁鋼則可能出現(xiàn)不可逆退磁。因此，從磁鋼安全的角度出發(fā)，340 A是該電機(jī)的最大過(guò)載電流。

表4 TDK三種鐵氧體永磁材料性能參數(shù)比較

圖11牌號(hào)FB14H鐵氧體電機(jī)通入340 A電流磁場(chǎng)仿真云圖

圖12磁鋼EF觀測(cè)線處的磁密波形

國(guó)內(nèi)東磁DM4550的內(nèi)稟矯頑力接近400kA/m，可以基本滿足開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)鐵氧體電機(jī)的性能要求，但與TDK的FB14H仍有差距。因此，提高國(guó)內(nèi)鐵氧體永磁材料的內(nèi)稟矯頑力是電動(dòng)汽車(chē)鐵氧體電機(jī)研發(fā)中的一個(gè)重要課題。

4 結(jié) 語(yǔ)

極槽配合、磁鋼布置與分布繞組鐵氧體電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力和轉(zhuǎn)矩性能密切相關(guān)。通常定子分?jǐn)?shù)槽繞組、轉(zhuǎn)子“月”形磁鋼槽鐵氧體電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩能力與性能要優(yōu)于整數(shù)槽繞組、“U”形磁鋼槽的鐵氧體電機(jī)。

電動(dòng)汽車(chē)鐵氧體電機(jī)需要校核低溫下的不可逆退磁問(wèn)題，為了避免鐵氧體電機(jī)出現(xiàn)不可逆退磁現(xiàn)象，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇內(nèi)稟矯頑力較高的磁鋼。同時(shí)國(guó)內(nèi)也要大力開(kāi)發(fā)高內(nèi)稟矯頑力的鐵氧體永磁材料。