電動(dòng)汽車用表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)分析與設(shè)計(jì)

單豐武，陳 紅

(1.江西江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司，南昌 330008；2.濰坊光電創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心，濰坊 261000)

0 引 言

近年來，為了保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源，牽引系統(tǒng)如汽車、火車及船舶等開始采用電力能源，以取代燃料能源。永磁電機(jī)以其高效率及高功率密度等優(yōu)點(diǎn)在牽引系統(tǒng)應(yīng)用中獲得了較多的關(guān)注[1]。研究表明，相對(duì)于表貼式永磁電機(jī)，內(nèi)置式永磁電機(jī)具有更寬的功率范圍以及更好的過載能力，因此更適合應(yīng)用于牽引系統(tǒng)[2-3]中。表貼式永磁游標(biāo)電機(jī)由于具有高轉(zhuǎn)矩密度的特點(diǎn)[4]，也成為了近年來永磁電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)，表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)定子繞組與轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)不相等，定子齒槽采用開口槽結(jié)構(gòu)，其定子齒不僅起到導(dǎo)磁作用，同時(shí)起到磁場(chǎng)極數(shù)變換器的作用，使得轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)經(jīng)過齒部的調(diào)制作用，產(chǎn)生了極數(shù)與繞組極數(shù)相同，但轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速的磁場(chǎng)。這樣從外特性上看，一臺(tái)永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)高速電動(dòng)機(jī)與一臺(tái)虛擬電磁減速箱，因此永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)具有較高轉(zhuǎn)矩密度[5]。同時(shí)，永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，單層氣隙結(jié)構(gòu)使其完全能運(yùn)用常規(guī)永磁電機(jī)的分析、設(shè)計(jì)和制造方法。此外，相比于傳統(tǒng)永磁電機(jī)，永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)具有同步電感較大的固有特性，弱磁性能優(yōu)于普通表貼式永磁電機(jī)，因此永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)可在保證其弱磁性能需求的情況下，采用機(jī)械結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

本文分析并設(shè)計(jì)了一臺(tái)應(yīng)用于牽引系統(tǒng)的12槽20極的表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)，模型如圖1所示。該表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，與內(nèi)置式永磁電動(dòng)機(jī)Prius-2004的電磁性能進(jìn)行了對(duì)比，包括反電勢(shì)、齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩、弱磁能力、損耗及效率。

圖1 12槽20極的表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

1 表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)分析與設(shè)計(jì)

為保證對(duì)比的合理性，表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)與Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的體積、氣隙長(zhǎng)度、銅耗均保持相同。表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)表貼式永磁電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相似，但是其定子繞組極對(duì)數(shù)ps與轉(zhuǎn)子永磁體極對(duì)數(shù)pr是不同的。根據(jù)經(jīng)典的電磁理論，只有極數(shù)相同的磁場(chǎng)之間才有可能產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，所以，永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)中定子齒不僅起到導(dǎo)磁作用，還起到磁場(chǎng)調(diào)制作用，即極數(shù)變換器的功能，該效應(yīng)又被稱為磁齒輪效應(yīng)，該效應(yīng)可以大幅提升游標(biāo)電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力[4]。表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)電機(jī)的ps,pr以及定子槽數(shù)z應(yīng)滿足以下關(guān)系：

z=ps±pr

(1)

在永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)中，定轉(zhuǎn)子極數(shù)比pr/ps是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。本文的表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)采用12個(gè)定子槽，20個(gè)轉(zhuǎn)子極的配合，極數(shù)比為5，如圖1所示。該表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)空載時(shí)的定子軛部磁密分布、磁力線分布分別如圖2和圖3所示。由圖2可以看出，在360°機(jī)械角度范圍內(nèi)有2個(gè)周期的磁密分布，對(duì)應(yīng)圖3中的4極的磁力線分布。

圖2 表貼式永磁游標(biāo)電機(jī)空載氣隙磁密

圖3 表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)空載磁力線分布

由于定子齒部磁導(dǎo)諧波對(duì)定子繞組及轉(zhuǎn)子磁極組合的極對(duì)數(shù)有調(diào)制作用，因此表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)適合采用開口槽設(shè)計(jì)。表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)槽開口大小對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響如圖4所示?？梢钥闯?，當(dāng)電機(jī)采用開口槽(槽開口為21 mm)時(shí)具有最小的齒槽轉(zhuǎn)矩、最大輸出轉(zhuǎn)矩以及最小的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)與Prius內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如表1所列。

(a) 齒槽轉(zhuǎn)矩

(b) 輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)

參數(shù)Prius永磁同步電動(dòng)機(jī)表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN/(r·min-1)12001200轉(zhuǎn)子極數(shù)2pr820定子槽數(shù)4812氣隙長(zhǎng)度δ/mm0．7750．775疊片長(zhǎng)度lst/mm83．183．1定子外徑Dso/mm269．24269．24定子內(nèi)徑Dsi/mm161．926175轉(zhuǎn)子外徑Dro/mm160．376174．225轉(zhuǎn)子內(nèi)徑Dri/mm110．64110．64永磁體寬度wPM/mm37．823．5永磁體長(zhǎng)度lPM/mm6．56．5每相串聯(lián)匝數(shù)Ns7272鐵心材料M19＿29M19＿29永磁體材料N36Z＿20N36Z＿20相電阻@100℃，Rph/Ω0．09-直流銅耗@100℃，pCu/kW6．56256．5625剩磁@120℃，Br/T1．131．13

2 表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)與內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的對(duì)比

本文對(duì)于表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)與Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的若干電磁性能均進(jìn)行了對(duì)比，包括空載性能(包括反電動(dòng)勢(shì)和齒槽轉(zhuǎn)矩)、額定轉(zhuǎn)矩、弱磁能力和損耗。

2.1 空載性能對(duì)比

由于表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的pr/ps倍，因此反電動(dòng)勢(shì)比傳統(tǒng)永磁電機(jī)更大，從而具有更高的轉(zhuǎn)矩密度。但是，由于該電機(jī)的漏磁較大，導(dǎo)致了反電動(dòng)勢(shì)的增加倍數(shù)少于pr/ps。

首先對(duì)比表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)與Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，如圖5、圖6所示，其中兩電機(jī)的每相串聯(lián)匝數(shù)均為72。由圖5可以看出，表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)的相反電動(dòng)勢(shì)基波幅值為216.3 V，而Prius電機(jī)為96.3 V，兩者之比為2.16，小于極對(duì)數(shù)比(pr/ps=5)。這是因?yàn)楸碣N式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)的漏磁較大，從而主磁鏈比Prius電機(jī)略小。另外，表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的諧波含量比Prius電機(jī)小得多，兩電機(jī)的總諧波失真(THD)分別為1.6%，7.2%(考慮第5次，7次，11次，13次諧波)，如圖6所示。

圖5 相反電動(dòng)勢(shì)對(duì)比

圖6 反電動(dòng)勢(shì)FFT對(duì)比

表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩與裂比(定子內(nèi)徑與定子外徑比值)、齒寬等結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)。當(dāng)槽開口/槽距=0.5時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩最小，然而此時(shí)該電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩并不是最大的，但是由于齒槽轉(zhuǎn)矩在牽引應(yīng)用中比較關(guān)鍵，因此本文的表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用槽開口/槽距=0.5。兩電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩波形對(duì)比如圖7所示.可以看出，表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩為2 N·m，略大于Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(1.6 N·m)。

圖7 一個(gè)周期內(nèi)齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比

2.2 轉(zhuǎn)矩對(duì)比

由上述分析可知，每相串聯(lián)匝數(shù)相同時(shí)表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)更高，有限元仿真顯示額定運(yùn)行條件下的線電壓也高于Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)。由于直流母線電壓會(huì)限制電機(jī)的輸出線電壓，因此在兩電機(jī)的直流母線電壓相同的條件下，需對(duì)兩電機(jī)的串聯(lián)匝數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而保證線電壓相同，同時(shí)調(diào)整電流大小使兩電機(jī)的安匝數(shù)相同。根據(jù)該設(shè)計(jì)方法，Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的基波相電壓為185.73 V，而表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)匝數(shù)為12時(shí)為184.33 V，與Prius電機(jī)接近。

兩電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩波形如圖8所示。表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩為379 N·m，Prius電機(jī)則為347 N·m。表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為8.4%，Prius電機(jī)為17.6%。對(duì)比可知，相比Prius電機(jī)，表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)具有更好的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)性能。因此，永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)在牽引應(yīng)用中更有優(yōu)勢(shì)。

圖8 轉(zhuǎn)矩對(duì)比

2.3 弱磁性能對(duì)比

當(dāng)電機(jī)的特征電流小于額定電流時(shí)，理論上電機(jī)可以達(dá)到無限的高速。兩電機(jī)的特征電流、額定電流、磁鏈和電感數(shù)值如表2所示?？梢钥闯?，兩電機(jī)的特征電流均小于額定電流。因此，采用表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)也具有很好的弱磁性能，如圖10所示。

表2 弱磁參數(shù)對(duì)比

圖9 表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩/功率隨轉(zhuǎn)速變化圖

2.4 損耗對(duì)比

本文中，電機(jī)的效率通過直流銅耗pCu，鐵耗pcore及永磁體損耗pPM進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。兩電機(jī)的損耗對(duì)比如圖10所示。與Prius電機(jī)相比，表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)具有較高的鐵耗及永磁體損耗，其中，永磁體損耗為考慮分段后的結(jié)果。損耗隨轉(zhuǎn)速的變化如圖11所示。當(dāng)電機(jī)低速時(shí)，直流銅耗占比較大；當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于電流減小，直流銅耗下降，同時(shí)高頻導(dǎo)致鐵耗及永磁體損耗增加。圖12、圖13分別為Prius電機(jī)和表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)的效率分布圖。可以看出，表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)效率高于94%部分面積比Prius電機(jī)大。這是由于轉(zhuǎn)矩增大的速率比電流增加得慢，因此當(dāng)滿足轉(zhuǎn)矩需要時(shí)表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)所需的電流要更小，從而直流損耗減小更多，導(dǎo)致效率相對(duì)Prius電機(jī)要高。同樣的原因，也使得表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)在高速時(shí)的效率高于Prius電機(jī)。

圖10 損耗對(duì)比

圖11 表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)損耗隨轉(zhuǎn)速的變化

圖12 Prius電機(jī)效率圖

圖13 表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)效率圖

3 實(shí)驗(yàn)研究

原理樣機(jī)參數(shù)如表3所示，相應(yīng)的樣機(jī)實(shí)物圖和測(cè)試平臺(tái)如圖14所示，其目的是驗(yàn)證表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)。為了減小齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，樣機(jī)的極弧系數(shù)取為0.833。考慮到樣機(jī)冷卻方式采用自然冷卻，繞組銅耗(包括端部在內(nèi))設(shè)計(jì)為160 W，線負(fù)荷設(shè)計(jì)為300 A/cm。

表3 樣機(jī)主要參數(shù)

(a) 樣機(jī)

(b) 空載實(shí)驗(yàn)

(c) 負(fù)載實(shí)驗(yàn)

圖15為樣機(jī)空載實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥吹剑S著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，空載反電動(dòng)勢(shì)同比例增大；與有限元仿真結(jié)果相比，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的反電動(dòng)勢(shì)與仿真結(jié)果非常吻合，誤差約為2%，驗(yàn)證了分析的準(zhǔn)確性。不同轉(zhuǎn)速下的電機(jī)效率測(cè)試結(jié)果如圖16所示，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果非常接近。額定工作點(diǎn)下，實(shí)驗(yàn)測(cè)得輸出轉(zhuǎn)矩為20.4 N·m，功率因數(shù)為0.51；相應(yīng)地，有限元仿真得到的輸出轉(zhuǎn)矩為20.2 N·m，功率因數(shù)為0.58。

圖15 線反電動(dòng)勢(shì)隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖16 效率隨轉(zhuǎn)速變化曲線

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一臺(tái)定子報(bào)數(shù)為4轉(zhuǎn)子極數(shù)為20的新型表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)，在相同直流銅耗及電機(jī)體積的條件下，與Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)論如下：

1) 在轉(zhuǎn)速、每相串聯(lián)匝數(shù)均相同情況下，表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)是Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的2.16倍，THD(包括第5次、7次、11次、13次諧波)為1.6%，而Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)為7.2%。

2) 通過齒寬設(shè)計(jì)可以有效減小表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，本文設(shè)計(jì)值為0.25%。但是，在最大轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)條件下，表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩大于Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電機(jī)。

3) 表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)比Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩高12%，同時(shí)具有較小的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，分別為6%及17.6%。

4) 由于表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)不同，會(huì)在永磁體及轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生較大的渦流損耗。

5) 采用表貼式永磁游標(biāo)電動(dòng)機(jī)具有較好的弱磁能力，適合于牽引應(yīng)用中。

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