一種電動(dòng)拖拉機(jī)用雙U型永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

謝偉　王海華

摘 ?要：根據(jù)拖拉機(jī)工作特性，文章設(shè)計(jì)了一種滿足丘陵山區(qū)復(fù)雜播種工況驅(qū)動(dòng)需求的雙U型永磁同步電機(jī)。通過研究永磁體用量對(duì)輸出性能的影響，闡明實(shí)現(xiàn)雙U型永磁同步電機(jī)最佳轉(zhuǎn)矩輸出的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。研究結(jié)果表明：電機(jī)空載狀態(tài)時(shí)，定轉(zhuǎn)子磁軛未達(dá)到定轉(zhuǎn)子的飽和磁密，材料屬性得到了有效利用;在電機(jī)負(fù)載狀態(tài)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)均能滿足電動(dòng)拖拉機(jī)復(fù)雜工況的驅(qū)動(dòng)需求。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)拖拉機(jī);永磁同步電機(jī);有限元仿真;轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TM352 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）31-0081-03

Abstract： According to the working characteristics of the tractor， this paper designs a double U-shaped permanent magnet （PM）synchronous motor which can meet the driving requirements of complex sowing conditions in hilly and mountainous areas. By investing the influences of the amount of permanent magnet on the output performances， the design scheme of rotor structure to realize the optimal torque output of the double U-shaped PM synchronous motor is expounded. The results show that when the motor is in no-load state， the magnetic yoke of the fixed rotor does not reach the saturation magnetic density of the material， and the material properties are effectively utilized. When the motor operates in loaded condition， the torque output and torque fluctuation of the motor can meet the driving requirements of the electric tractor under complex working conditions.

Keywords： electric tractor; permanent magnet synchronous motor; finite element simulation; rotor structure

1 概述

近年來(lái)，隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的加劇，純電動(dòng)拖拉機(jī)以其無(wú)污染、低噪聲、低能耗、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中逐漸得以應(yīng)用推廣。與傳統(tǒng)的燃油拖拉機(jī)相比，電動(dòng)拖拉機(jī)的能量源主要來(lái)自于蓄電池。因此，受限于蓄電池能量密度低的技術(shù)瓶頸，電動(dòng)拖拉機(jī)對(duì)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率、轉(zhuǎn)矩密度、可靠性等提出了更加苛刻的要求。而作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)核心的電機(jī)，其設(shè)計(jì)性能的優(yōu)劣又是能否實(shí)現(xiàn)電動(dòng)拖拉機(jī)整機(jī)驅(qū)動(dòng)需求的關(guān)鍵。

作為稀土大國(guó)，我國(guó)高性能釹鐵硼永磁材料的年產(chǎn)量居于世界首位。因此，以高性能永磁材料為基礎(chǔ)的永磁同步電機(jī)得到了大力推廣與應(yīng)用。然而，近年來(lái)，國(guó)際稀土價(jià)格指數(shù)的不斷上漲，使得稀土永磁電機(jī)的加工成本不斷提高。減少稀土永磁體的用量，以較小的成本獲得高性能的永磁電機(jī)，成為國(guó)內(nèi)外電機(jī)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題[1-2]。

從國(guó)際研究來(lái)看，意大利都靈大學(xué)的學(xué)者設(shè)計(jì)了一臺(tái)12極72槽的電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)，試圖通過研究每層永磁體產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)恒定條件來(lái)闡明減少永磁體用量的方法[3];美國(guó)德州農(nóng)業(yè)大學(xué)的學(xué)者對(duì)永磁輔助式同步磁阻電機(jī)的磁障寬度、磁障厚度等電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析，得出了針對(duì)該類電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，驗(yàn)證了通過增大磁阻轉(zhuǎn)矩的方式來(lái)減小永磁體用量的可行性[4]。國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，江蘇大學(xué)、東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等眾多高校均有學(xué)者對(duì)少稀土類永磁同步電機(jī)進(jìn)行研究[5]?？傮w來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)稀土永磁體的最佳利用率仍然是永磁電機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究難點(diǎn)問題。

本文根據(jù)電動(dòng)拖拉機(jī)的工作特性需求，設(shè)計(jì)了一種V型永磁同步電機(jī)。通過研究永磁體用量對(duì)輸出特性的影響，闡明實(shí)現(xiàn)V型永磁同步電機(jī)最佳轉(zhuǎn)矩輸出的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。將為電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究提供技術(shù)支撐。

2 永磁電機(jī)數(shù)學(xué)模型

永磁電機(jī)的數(shù)學(xué)模型包括電機(jī)定子相繞組的電壓方程、磁鏈方程，轉(zhuǎn)矩方程、機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程等。其中，各相繞組兩端的電壓等于各相繞組壓降與感應(yīng)電勢(shì)之和，因此電壓方程為：

其中，up表示任一相繞組的端電壓，Rp表示繞組的內(nèi)阻，ip表示電樞電流，e表示繞組中的反電勢(shì)，？鬃p表示繞組中的合成磁鏈，p取a、b、c，表示電機(jī)的三相電樞繞組。

在忽略繞組互感作用時(shí)，任一相繞組的合成磁鏈為：

（2）

Lp表示定子繞組任一相繞組的自感，？鬃p表示任一相繞組的合成磁鏈，？鬃pmp表示任一相繞組中的永磁磁鏈，k為磁通調(diào)節(jié)系數(shù)。

在不考慮鐵耗的情況下，由電源輸入到電機(jī)內(nèi)的功率為：

對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：

（4）

（5）

式（4）中，T為三相產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩，J為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B為系統(tǒng)粘滯摩擦系數(shù)，Tl為系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

3 V型永磁電機(jī)的提出

本研究中的電機(jī)，定轉(zhuǎn)子采用型號(hào)為M19_29G的硅鋼片材料。為了增大磁阻轉(zhuǎn)矩，定子繞組采用的是分布式繞組結(jié)構(gòu)，并將轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成雙層U型結(jié)構(gòu)。兩層磁障增大了d軸磁阻，有利于更好地利用磁阻轉(zhuǎn)矩。永磁體采用的是高性能的NdFe35材料。電機(jī)結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)如圖1及表1所示。

圖1 雙U型永磁同步電機(jī)

4 電機(jī)性能分析

4.1 靜態(tài)特性

圖2（a）給出了雙層U型永磁電機(jī)在空載條件下的磁力線分布。可以看出，永磁體產(chǎn)生的磁力線要穿過4層空氣磁障，d軸磁阻相對(duì)較大。此外，磁障與氣隙之間的磁橋處，存在少量漏磁通。從圖2（b）的電機(jī)磁密云圖分布可以看出，永磁體處產(chǎn)生的磁密度最大，除磁障與氣隙之間的磁橋處磁密呈高度飽和狀態(tài)外，電機(jī)轉(zhuǎn)子及定子磁軛的磁密均小于1.8T， 說(shuō)明電機(jī)整體并未發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，有利于導(dǎo)磁材料的有效利用。

4.2 動(dòng)態(tài)特性

由于本文設(shè)計(jì)的永磁電機(jī)需要滿足電動(dòng)拖拉機(jī)多運(yùn)行工況的需求。而電機(jī)的設(shè)計(jì)以節(jié)約價(jià)格昂貴的永磁體材料為目標(biāo)之一。因此，本部分探討了永磁體用量與電機(jī)的輸出性能之間的影響關(guān)系。圖3給出了第一層永磁體厚度對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、效率以及d、q軸電感的影響?？梢钥闯?，當(dāng)?shù)谝粚佑来朋w厚度逐漸增加時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與效率呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì);而電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)則呈現(xiàn)出先增大后降低的變化趨勢(shì)。說(shuō)明該類永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)，并非永磁體用量越多越好，要兼顧效率、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩波動(dòng)之間的制約關(guān)系。此外，隨著第一層永磁體厚度的增大，d軸電感基本保持不變，而q軸電感則有一定程度的降低，說(shuō)明隨著永磁體用量的增加，電機(jī)d軸逐漸趨近磁飽和，永磁體的用量應(yīng)控制在一定的范圍。研究認(rèn)為當(dāng)?shù)谝粚佑来朋w厚度為4mm時(shí)，電機(jī)性能處于綜合最優(yōu)。

圖4給出了第二層永磁體對(duì)電機(jī)輸出性能的影響。可以看出，隨著第二層永磁體厚度增大，即永磁體用量的增加，輸出轉(zhuǎn)矩明顯增大。與第一層永磁體用量對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響相比，當(dāng)?shù)诙佑来朋w從3mm增加到5mm時(shí)， 轉(zhuǎn)矩由73.6Nm增大到82.2Nm，轉(zhuǎn)矩變化對(duì)永磁體厚度的變化更敏感。此外，第二層永磁體厚度的增大，輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)逐漸降低，說(shuō)明較少的永磁體用量有助于轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的降低。效率方面，當(dāng)?shù)诙佑来朋w厚度由2mm增加到5mm時(shí)，效率值由92.6%增加到93.9%，變化幅度大于第一層永磁體用量對(duì)效率的影響。電感變化方面，第二層永磁體厚度與電感的變化與第一層永磁體比較類似，均存在飽和現(xiàn)象。總體來(lái)說(shuō)，第二層永磁體的用量對(duì)電機(jī)性能的影響更加敏感，影響更大。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種滿足丘陵山區(qū)復(fù)雜播種工況驅(qū)動(dòng)需求的雙U型永磁同步電機(jī)。通過研究永磁體用量對(duì)輸出性能的影響，闡明了雙U型永磁同步電機(jī)最佳性能輸出的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案， 為電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。

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