新能源汽車用軸向磁通電機(jī)設(shè)計(jì)與分析

金良寬，徐 松，譚磊鑫

(1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴陽 550081； 2.國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心，貴陽 550081)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，世界各國(guó)均面臨能源枯竭和環(huán)境破壞的世界性難題，而隨著汽車保有量的上升，將消耗更多的石油資源，同時(shí)尾氣帶來的環(huán)境污染也日益嚴(yán)峻，已成為世界性的問題。因此，急需發(fā)展可維持人類可持續(xù)發(fā)展與環(huán)境和平相處的新時(shí)代新能源汽車。新能源汽車相對(duì)于傳統(tǒng)燃油車而言，由于能量供給形式不同，不論在整車總布置型式，還是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成，都發(fā)生了巨大變化，其中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成對(duì)整車性能至關(guān)重要，不僅承擔(dān)承載、驅(qū)動(dòng)功能，而且直接決定整車的安全和舒適性。因此開發(fā)小體積、低噪音、高效率、高功率密度、長(zhǎng)壽命的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總成是非常必要的。

當(dāng)前大部分汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),尤其是新能源汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要是由中央主驅(qū)電機(jī)、減速器及傳統(tǒng)軸驅(qū)動(dòng)車輪，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)是核心零部件之一。早期的電驅(qū)系統(tǒng)以直流電機(jī)為主，目前主要有感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等[1]，相較于其他永磁種類電機(jī)，永磁電機(jī)因其具有功率密度、效率、功率因數(shù)較高優(yōu)點(diǎn)[2]，已成為新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一個(gè)重要研究方向。近年來，永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要有徑向磁通式、軸向磁通式和橫向磁通式[3]。作為軸向磁通式的永磁同步電機(jī)有諸多優(yōu)于徑向電機(jī)的特點(diǎn)，如擁有較小的縱橫比時(shí)，軸向磁通電機(jī)具有更高的轉(zhuǎn)矩密度、更好的散熱和更小的體積[4]，這種結(jié)構(gòu)的電機(jī)非常適合對(duì)空間限制較小的汽車領(lǐng)域，同時(shí)軸向磁通電機(jī)還可沿用徑向電機(jī)的控制方式，開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)小，具有較大的市場(chǎng)潛力。

本文研究的軸向磁通永磁同步電機(jī)用于純電動(dòng)客車，針對(duì)該電機(jī)的工作特點(diǎn)及設(shè)計(jì)指標(biāo)，從永磁電機(jī)定子、繞組、永磁體結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析，采用Ansys/Maxwell有限元分析軟件建立了該電機(jī)的三維有限元分析模型，對(duì)其電磁特性進(jìn)行了分析。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)制作出樣機(jī)，并進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：該電機(jī)的設(shè)計(jì)方案合理，電機(jī)各項(xiàng)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

1 軸向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)介紹

軸向磁通永磁同步電機(jī)因其具有軸向的磁通方向，從而決定了其結(jié)構(gòu)不同于普通的徑向電機(jī)，軸向磁通電機(jī)具有小體積、低噪音、高轉(zhuǎn)速、高功率密度、優(yōu)良的散熱性能等諸多優(yōu)點(diǎn)。軸向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 盤式電機(jī)典型結(jié)構(gòu)

軸向磁通永磁同步電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子數(shù)量、相對(duì)位置及主磁路分類，其結(jié)構(gòu)可分為四類：?jiǎn)味ㄗ訂无D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、單定子雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及多盤式結(jié)構(gòu)。

為了滿足整車安裝要求，結(jié)合電機(jī)性能參數(shù)要求，本文采用中間單轉(zhuǎn)子雙定子結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可更好滿足電機(jī)性能，同時(shí)獲得最小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和最優(yōu)的散熱條件，且中間轉(zhuǎn)子由于雙定子對(duì)稱結(jié)構(gòu)將受到兩個(gè)相互抵消的磁拉力，提高軸承使用壽命，減少電機(jī)的機(jī)械損耗，有利于電機(jī)的穩(wěn)定性，非常適用于電動(dòng)汽車這種頻繁啟動(dòng)場(chǎng)所，雙定子都可以形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，可提高電機(jī)的電負(fù)荷。雙定子單轉(zhuǎn)子的軸向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 雙定子單轉(zhuǎn)子軸向磁通電機(jī)

2 軸向磁通電機(jī)電磁方案設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)技術(shù)要求

該軸向磁通的電機(jī)工作性能指標(biāo)如表1所示。

表1 電機(jī)性能指標(biāo)

2.2 電機(jī)主要尺寸確定

針對(duì)該軸向磁通永磁同步電動(dòng)機(jī)，首先確定電機(jī)定子鐵心外徑D和軸向長(zhǎng)度La，根據(jù)相關(guān)資料介紹，軸向磁通電機(jī)主要尺寸之間的關(guān)系[5]：

(1)

式中,PR電機(jī)額定輸出功率。Kφ=Ar/As轉(zhuǎn)子與定子的電負(fù)荷比值(轉(zhuǎn)子無繞組時(shí)，Kφ=0);m、m1為電機(jī)總相數(shù)和單個(gè)定子相數(shù);KeEMF因數(shù);Ki電流波形因數(shù);Kp功率波形因數(shù);η電機(jī)效率;Bg氣隙磁密;A總電負(fù)荷;f逆變器頻率;p電機(jī)極對(duì)數(shù);Do、Dg、Di電機(jī)外徑、氣隙直徑、內(nèi)徑;KL=Do/Le軸向磁通電機(jī)寬高比;Le電機(jī)有效長(zhǎng)度;λ=Di/Do軸向磁通電機(jī)直徑比。

電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸可以通過式(1)計(jì)算得到。

2.3 電機(jī)主要材料選型

不同永磁材料在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生不同勵(lì)磁磁場(chǎng)，進(jìn)而影響電機(jī)輸出性能[6]。常見永磁電機(jī)永磁材料選擇為釹鐵硼和釤鈷，釤鈷磁性能較釹鐵硼低。

考慮到該軸向磁通永磁電機(jī)定子采用水冷結(jié)構(gòu)，溫度可以得到控制，因此永磁體可以選擇磁性能更好的釹鐵硼永磁材料。

2.4 永磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

永磁體的形狀不但影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩等性能參數(shù)，同時(shí)還影響電機(jī)的成本、工藝等因素。軸向磁通永磁電機(jī)相對(duì)徑向式永磁電機(jī)而言，永磁體的加工相對(duì)容易，且常常改變磁極的參數(shù)來提高電機(jī)的性能。

根據(jù)永磁體結(jié)構(gòu)的不同，軸向磁通電機(jī)可以分為：不等比例扇形結(jié)構(gòu)、矩形結(jié)構(gòu)、等比例扇形結(jié)構(gòu)、圓形結(jié)構(gòu)、Halbach永磁體排列結(jié)構(gòu)[7-8]、其它特殊的形狀例如直角梯形[9]。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示 。

圖3 不同形狀的永磁體

永磁體的結(jié)構(gòu)，在一定程度上決定了電機(jī)的性能。文獻(xiàn)[10-14]中分析了不同形狀的永磁體對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的影響，并進(jìn)行了分析對(duì)比。文獻(xiàn)[15]給出了前3種形狀的永磁體，對(duì)軸向磁通電機(jī)氣隙磁密的影響，從工藝上介紹了不同形狀的永磁體加工的難易。

永磁體結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單，容易制造與裝配，達(dá)到電機(jī)性能的同時(shí)利用率要高，考慮到本次設(shè)計(jì)電機(jī)效率、噪音要求較高，為了減小漏磁產(chǎn)生損耗以及盡量低的齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，采用扇形雙向斜極的永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)，這樣也便于電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，提高電機(jī)輸出性能。

2.5 永磁體厚度選擇

永磁體磁化方向長(zhǎng)度依據(jù)電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系預(yù)估初值，然后在Ansys/RMxprt中進(jìn)行具體電磁計(jì)算校驗(yàn)；使得電機(jī)空載工作點(diǎn)滿足式(2)要求。

Bg=(0.6～0.8)Br

(2)

式中，Br為永磁體剩磁密度。

此外磁化長(zhǎng)度的大小影響電機(jī)抗去磁能力，因此還需考慮電機(jī)最大過電流時(shí)的去磁能力，確定永磁體最終磁化長(zhǎng)度[16]。

2.6 定子沖片的設(shè)計(jì)

由于電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，定子鐵心磁場(chǎng)頻率不高，為降低電機(jī)制造成本，定子沖片采用厚度為0.35mm、50WW310硅鋼帶。電機(jī)槽數(shù)選擇為24槽，定子沖片槽形選定主要考慮因素：首先滿足定子繞組線圈電流密度和熱負(fù)荷在限制之內(nèi)，定子槽設(shè)計(jì)有充足的截面積，其次槽滿率不能太高，要協(xié)調(diào)考慮線下工藝要求，最后結(jié)合機(jī)械強(qiáng)度和工藝限制選擇合理軛高和齒寬[17]。

3 電機(jī)模型的建立

綜合考慮電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)要求及工作特點(diǎn)確定電機(jī)電磁方案參數(shù)，如表2所示。

表2 電機(jī)主要參數(shù)

根據(jù)表中的參數(shù)在Ansys軟件中RMxprt模塊、建模，然后將其轉(zhuǎn)化為Maxwell 3D模型。利用有限元的方法，進(jìn)行三維瞬態(tài)磁場(chǎng)的分析，由于三維仿真時(shí)間較長(zhǎng)，為縮短分析時(shí)間，基于電機(jī)模型對(duì)稱性，本文采用1/8模型進(jìn)行分析，并適當(dāng)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，圖4為所設(shè)計(jì)電機(jī)的仿真模型。

圖4 電機(jī)仿真模型

4 電機(jī)有限元分析

4.1 電機(jī)磁場(chǎng)分析

等磁路法對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)建模時(shí)忽略了電機(jī)槽形、磁飽和等因素，與電機(jī)實(shí)際工作特性有差別。因此需要采用電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行分析，電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速5600r/min，輸出轉(zhuǎn)矩為61.4N.m時(shí)電機(jī)磁力線及磁密云圖分布如圖5、圖6所示。

圖5 電機(jī)磁力線分布

圖6 電機(jī)磁力云圖分布

由電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)與磁密分布可知，電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、氣隙之間形成了閉合的磁鏈，定子齒部磁力線分布分布較密，有少數(shù)的磁力線在極間、氣隙處產(chǎn)生漏磁；電機(jī)內(nèi)部最大飽和磁密為1.53T，定子采用硅鋼帶材料，其飽和磁密為1.6T，未達(dá)到飽和。

4.2 氣隙磁密分析

采用有限元法對(duì)電機(jī)沿軸向方向的氣隙磁密進(jìn)行求解，如圖7所示。徑向氣隙磁密波形近似于正弦波，幅值為0.59T，圖中不規(guī)則的缺口畸變是由定子開槽氣隙磁導(dǎo)不均勻?qū)е隆?/p>

圖7 電機(jī)氣隙磁密3D分布

4.3 空載反電動(dòng)勢(shì)分析

空載反電動(dòng)勢(shì)波形對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)有重要參考價(jià)值。在額定轉(zhuǎn)速下求解出電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)如圖8所示。直觀看出該電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)具有較高的正弦分布，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行FFT分析，諧波含量較少，這表明電機(jī)設(shè)計(jì)斜極繞組、槽極參數(shù)的合理性。

圖8 電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形

4.4 齒槽轉(zhuǎn)矩分析

無論徑向式還是軸向式磁通永磁電機(jī)，都存在一個(gè)齒槽轉(zhuǎn)矩，即電機(jī)中的磁極與定子槽之間相互作用會(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，它影響電機(jī)低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩質(zhì)量、噪聲及其整個(gè)的運(yùn)行性能。近期國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)軸向磁通永磁電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的抑制技術(shù)做了一系列的研究工作，主要為斜極、斜槽、極弧優(yōu)化、不等氣隙、不同極弧配合、極槽配合和永磁體相對(duì)位置對(duì)其的影響[18-20]。該電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼設(shè)計(jì)為雙向斜極抑制電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩。在Ansys軟件中借助瞬態(tài)求解器，將電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1r/min，同時(shí)加密電機(jī)各部分的網(wǎng)格，另外為確定最佳斜極角度，對(duì)磁鋼斜極角度進(jìn)行參數(shù)化掃描，最終求得最小電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩如圖9所示，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的峰峰值僅為1.58Nm。

圖9 電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩

4.5 電機(jī)額定負(fù)載性能分析

實(shí)際工作時(shí)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速5600r/min，在Ansys軟件中采用電流源激勵(lì)，求得電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖10所示，可得該工作點(diǎn)的平均轉(zhuǎn)矩為61.2Nm。

圖10 電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩

5 樣機(jī)試驗(yàn)與仿真對(duì)比分析

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果得出電機(jī)參數(shù)制作出物理樣機(jī)，如圖11所示。該電機(jī)由控制器和電機(jī)本體組成，該樣機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試，結(jié)果如表3所示，性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖11 電機(jī)試驗(yàn)圖

表3 樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

另外測(cè)試得到電機(jī)不同工況下的效率map圖如圖12所示，電機(jī)最大效率達(dá)到94.2%。

圖12 樣機(jī)效率map測(cè)試結(jié)果

6 結(jié) 論

本文針對(duì)新能源汽車用軸向磁通永磁同步電機(jī)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為5600r/min、額定輸出轉(zhuǎn)矩為61Nm的單轉(zhuǎn)子雙定子軸向磁通電機(jī)。基于等效磁路法確定電機(jī)基本尺寸，采用電磁場(chǎng)三維有限元分析方法對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)、氣隙磁密、齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果符合電機(jī)設(shè)計(jì)要求。最后對(duì)樣機(jī)試驗(yàn)負(fù)載特性數(shù)據(jù)與有限元值進(jìn)行對(duì)比，一致性滿足要求，驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果可靠性，該軸向磁通永磁同步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)應(yīng)用在某新能源汽車中，該項(xiàng)目的研究為軸向磁通永磁電機(jī)在汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)開發(fā)提供一定參考價(jià)值。