不同極槽配合對車用驅動電機的性能分析

張兆峰，趙振奎，江鄭龍, 呂揚琳

（1.上汽大通汽車有限公司，上海 200438；2.上海眾聯能創新能源科技股份有限公司，上海 200438；3.上海賽灣化工有限公司，上海 201615）

引言

永磁電機具有結構簡單、運行可靠、體積小、質量輕、效率高等優點，被越來越廣泛應用于航空航天、機器人、電動汽車等領域[1-3]。伴隨著汽車快速的發展，環境污染和能源消耗成為當今社會的兩大問題，大規模生產電動汽車必將成為汽車行業發展的趨勢[4]。然而永磁同步電機在汽車領域中最有優勢，必然成為車用驅動電機的發展方向。

由于車用驅動電機的要求越來越高，如：效率高、齒槽轉矩小、轉矩波動小、振動噪音小等要求，因此在設計車用驅動電機時，選擇合適的極槽配合對車用驅動電機的性能有著較大的影響[6]。目前國內外對分數槽永磁同步電機的研究比較多，但是針對同一款車用電機的設計指標去分析不同極槽配合還是較少。本文以一臺額定功率為20KW、額定轉速為 3500rpm，自然風冷為例，在同電壓、同材料、同定子外徑下，分析36槽6極、36槽8極、48槽8極結構，進行仿真分析對比，提出合適的結構方案對后續開發者提供參考依據。

1 車用驅動電機參數指標

1.1 主要性能參數

車用驅動電機性能指標如表1所示。根據性能指標，選擇了36槽6極、36槽8極、48槽8極三種極槽配合。

表1 車用驅動電機的性能指標

1.2 繞組形式

單層繞組嵌線比較方便，且沒有層間絕緣，故槽內空間的利用率較高；由于常用的單層繞組的短矩系數等于 1，因此磁場波形較差，高次諧波磁場較強。雙層繞組槽內需設置層間絕緣，因此槽內空間的利用率較低，但可以采用短矩繞組，選擇合適的短距系數，使高次諧波磁場削弱，來改善電動勢和磁動勢的波形，并且有利于散熱和增加機械強度[4]。本文繞組方式選用雙層繞組。

1.3 齒槽轉矩

齒槽轉矩是永磁電機的固有特性。永磁電機的齒槽轉矩是電機繞組不通電時永磁體和鐵心之間相互作用產生的轉矩，是由永磁體與電樞齒之間相互作用力的切向分量引起的[3]。

齒槽轉矩會引起永磁電機的轉矩脈動，進而導致速度波動；也會使電機產生振動和噪聲，當脈動轉矩的頻率與電樞電流諧振頻率一致時，會產生共振，勢必會放大齒槽轉矩的振動和噪聲；嚴重影響電機的定位精度和伺服性能，尤其在低速時影響更為嚴重[5]。在車用驅動電機中，對電機的振動噪聲要求越來越高，因此有必要削弱齒槽轉矩，降低振動噪音。

齒槽轉矩是周期性變化的，變化的周期數取決于極數和槽數配合。根據齒槽轉矩的表達式可以看出，周期數(為極數、槽數和極數最大公約數的比值)越多，齒槽轉矩越小。本文36槽6極、36槽8極、48槽8極結構的周期數分別為1、2、1；初步判斷36槽8極結構的齒槽轉矩小，即分數槽可以有效削弱齒槽轉矩。

1.4 諧波分析

當交流繞組與磁場有相對運動時，在繞組中將產生感應電動勢；當交流繞組中流過電流時，在繞組周圍將產生磁場。磁場的波形往往是非正弦的周期函數，除了正弦波形的基波還有一系列的諧波[4]。由于諧波會引起損耗增大、效率降低、溫升增高，從而降低了電機的性能。因此在設計電機時必須盡可能的削弱電動勢中的高次諧波。削弱電動勢的諧波方法很多，其中包括選擇合適的極槽配合。

2 車用驅動電機有限元分析

根據上述的性能參數和理論分析，對不同極槽配合的電磁方案進行有限元計算，通過空載和負載下分析齒槽轉矩、反電動勢諧波、轉矩、損耗、效率等。本文采用單元電機模型，簡化計算模型。建立2D單元電機仿真模型，如圖1所示。

圖1 單元電機模型

2.1 空載特性

2.1.1 空載磁密云圖和磁力線

圖2 磁密云圖和磁力線

在空載下通過查看磁力線，可以初步判斷電機的磁路是否正確，電機的充磁方向以及繞組繞線是否正確，并可以看出漏磁通多少。在設計中盡量減少漏磁通，增加主磁通，提高電機性能。通過空載磁密云圖，可以看出定子、轉子鐵芯內磁密都在正常范圍內，只有在轉子軛部隔磁橋上磁密較大，達到了2.2T，趨近于飽和狀態。然而在轉子軛部隔磁橋處飽和，可以阻止磁路，減少漏磁通，是有利于電機性能，其中隔磁橋長度需要綜合考慮機械強度及對電磁性能的影響來選擇尺寸。如圖2所示。

2.1.2 齒槽轉矩

如圖3所示為36槽6極、36槽8極、48槽8極三種方案兩個周期的齒槽轉矩圖。三種方案的齒槽轉矩峰峰值分別為6Nm，0.287Nm，7.23Nm，分別各占額定轉矩的11%，0.5%，13%。通過計算可以得出36槽8極的齒槽轉矩小。齒槽轉矩的優化可以減少電機的轉矩脈動、振動噪音，運行穩定。

圖3 齒槽轉矩圖

2.1.3 氣隙磁密和反電動勢

圖4 氣隙磁密

通過有限元軟件分析得到空載下的氣隙磁密、反電動勢波形和各次諧波幅值，如圖4、5、6所示。通過圖4可以看出，氣隙磁密波形出現了“尖峰”、“凹谷”，不平滑，正弦性比較差，諧波含量較大。36槽6極和36槽8極的氣隙磁密波形比48槽8極的氣隙磁密波形接近正弦波。通過圖5、圖6可以看出，48槽8極的正弦性比其他兩種方案好，諧波次數含量也小。36槽6極、36槽8極和48槽8極三種方案經過傅里葉變化得到正弦波形畸變率分別為6%、3.8%、1.6%。通過上述分析，選擇合適的極槽配合可以改善氣隙磁密、反電動勢波形，有利于改善電機空載特性。

圖5 反電動勢波形

圖6 反電動勢諧波圖

2.2 負載特性

通過激勵電壓源加載，設置功率角，通過有限元計算出額定轉矩及峰值轉矩，如圖7、8所示。通過圖7、8可以看出，36槽8極比36槽6極、48槽8極的轉矩脈動小，說明36槽8極極槽配合好。

圖7 額定轉矩圖

圖8 峰值轉矩圖

3 結論

基于電機理論和電磁場仿真分析，對三種極槽配合的車用驅動電機計算，做出對比表如表2所示。

表2 性能對比表

通過表2數據對比可知：

基于同電壓、同材料、同定子外徑下，三種極槽配合的方案基本滿足了設計要求。由于極槽配合的不同，在空載反電動勢、齒槽轉矩，損耗會有些差異，其中分數槽的齒槽轉矩、損耗和效率比其它兩種方案好點。因此在車用驅動電機設計中，要綜合考慮極槽配合，選擇合適的極槽配合來設計電機。