電動(dòng)自行車用磁通切換電機(jī)研究*

杜愛赫,解 偉,施振川,鄭慶圭

(1.中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所，福建 福州 350002;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

電動(dòng)自行車作為一種便捷且環(huán)保的個(gè)人交通工具，能夠緩解城市交通壓力，符合當(dāng)今節(jié)能環(huán)保的發(fā)展理念，得到了越來越多的關(guān)注。隨著電動(dòng)自行車推廣應(yīng)用，人們對其電機(jī)運(yùn)行的噪聲、使用壽命等提出了越來越高的要求[1-2]。

目前電動(dòng)自行車用電機(jī)類型主要有永磁同步電機(jī)(PMSM)、無刷直流電機(jī)(BLDCM)、感應(yīng)電機(jī)(IM)、開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)等[3-4]。PMSM和BLDCM功率密度高、可控性強(qiáng)，但永磁體位于轉(zhuǎn)子側(cè)不易于冷卻，會(huì)導(dǎo)致失磁風(fēng)險(xiǎn)，降低可靠性；IM制造成本低，但轉(zhuǎn)矩密度和效率較低；SRM結(jié)構(gòu)簡單但振動(dòng)噪聲問題難以解決[5-6]。磁通切換電機(jī)不僅功率密度高，而且由于永磁體位于定子側(cè)，轉(zhuǎn)子僅由導(dǎo)磁材料構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單且不易受復(fù)雜工況影響，可以保障電機(jī)更長久工作，是一類滿足電動(dòng)自行車應(yīng)用要求的電機(jī)[7-8]。然而，磁通切換電機(jī)由于其雙凸極結(jié)構(gòu)和聚磁效應(yīng)，存在較大的齒槽轉(zhuǎn)矩，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、徑向電磁力和噪聲，用于電動(dòng)自行車時(shí)會(huì)影響騎乘舒適性[9]。因此，如何在保持高功率密度和高可靠性的前提下，減少磁通切換電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和振動(dòng)噪聲，成為了業(yè)界研究的熱點(diǎn)問題。

當(dāng)前磁通切換電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩抑制方法主要從控制和本體2方面入手。在控制角度通常采用諧波電流注入的方法，但這樣會(huì)在增加控制系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí)造成額外的損耗[10]。在本體設(shè)計(jì)角度，常采用轉(zhuǎn)子斜極、轉(zhuǎn)子齒頂輔助槽、不對稱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等方法，往往也會(huì)帶來電磁轉(zhuǎn)矩降低、磁飽和嚴(yán)重、不平衡磁拉力增大等問題[11-12]?；趯?shí)際制造難度的考慮，轉(zhuǎn)子分段斜極往往是最常見的選擇[13]。

為了解決電動(dòng)自行車用磁通切換電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問題，針對電動(dòng)自行車電機(jī)日常行駛狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，然后依據(jù)磁通切換電機(jī)槽極配合原理，建立了傳統(tǒng)的12槽10極磁通切換電機(jī)(簡稱12/10)以及繞組分布方式不同的12槽11極磁通切換電機(jī)(簡稱12/11)拓?fù)?。在對?臺電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩后，對于優(yōu)勢明顯的12/11模型，通過分段斜極方法對其齒槽轉(zhuǎn)矩作進(jìn)一步優(yōu)化。最終將優(yōu)化后的12/11模型仿真結(jié)果，結(jié)合電動(dòng)自行車性能需求進(jìn)行分析，闡述其應(yīng)用于電動(dòng)自行車領(lǐng)域的可能性。

1 電動(dòng)自行車動(dòng)力學(xué)分析

電動(dòng)自行車行駛時(shí)受到的驅(qū)動(dòng)力F與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩T以及車輪半徑r存在如下關(guān)系：

(1)

電動(dòng)自行車在行駛過程中會(huì)受到滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力?；陔妱?dòng)自行車行駛狀態(tài)受力分析，建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式如下[14]：

F=fmgcosα+0.5CdAρv2+fmgsinα+

(2)

式中：m為車和人的總質(zhì)量；f為路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)；α為道路坡度角；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為騎行時(shí)人和自行車的迎風(fēng)面積；v為電動(dòng)自行車行駛速度；ρ為空氣密度；∑I為車輛旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和。

電動(dòng)自行車動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表1所示[15]。

表1 電動(dòng)自行車動(dòng)力學(xué)參數(shù)

將表1中各參數(shù)代入式(1)、式(2)中，可以得到，當(dāng)自行車在平路以最高車速25 km/h勻速行駛時(shí)，所需轉(zhuǎn)矩為5.12 N·m，所需功率為0.177 kW。考慮到實(shí)際行駛時(shí)氣流影響及偶然的崎嶇路況，因此在設(shè)計(jì)時(shí)將330 r/min轉(zhuǎn)速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)定為6 N·m，對應(yīng)輸出的功率P=0.207 kW，并將此功率設(shè)定為電機(jī)運(yùn)行的額定輸出功率。

2 模型建立

2.1 模型原理

磁通切換電機(jī)基于“磁阻最小原理”設(shè)計(jì)。隨著轉(zhuǎn)子位置的變化，電樞繞組中穿過的勵(lì)磁磁通會(huì)同時(shí)改變數(shù)量和方向(極性)，在電樞繞組中匝鏈產(chǎn)生交變的勵(lì)磁磁鏈，進(jìn)而產(chǎn)生交變感應(yīng)電動(dòng)勢。

對于不同類型磁通切換電機(jī)定子槽數(shù)和繞線方式的差異，為獲得高轉(zhuǎn)矩密度和高效率，其在設(shè)計(jì)時(shí)須遵循齒極配合關(guān)系的設(shè)計(jì)原則，確定定子齒數(shù)和轉(zhuǎn)子極數(shù)的最佳組合，定轉(zhuǎn)子具體齒極數(shù)關(guān)系[16]：

(3)

式中:Ps為定子齒數(shù);Pr為轉(zhuǎn)子齒數(shù);m為定子相數(shù);q′為等效每極每相線圈數(shù)。

本文的齒槽轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)在不通電情況下，由永磁體與有槽鐵心之間相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩[17]。磁通切換電機(jī)由于其雙凸極結(jié)構(gòu)和聚磁效應(yīng)，存在較大的齒槽轉(zhuǎn)矩，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生比常規(guī)轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)更大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、徑向電磁力和噪聲，影響電機(jī)的運(yùn)行性能。

齒槽轉(zhuǎn)矩幅值Tc與定子齒數(shù)、轉(zhuǎn)子極數(shù)的最大公約數(shù)GCD(Ns,Nr)成正比，最小公倍數(shù)LCM(Ns,Nr)成反比[18]，即：

(4)

若要降低齒槽轉(zhuǎn)矩對磁通切換電機(jī)的影響，在相同尺寸規(guī)格以及齒極配合關(guān)系的約束下，需減小GCD(Ns,Nr)數(shù)值，增大LCM(Ns,Nr)的數(shù)值。在傳統(tǒng)12槽10極磁通切換電機(jī)基礎(chǔ)上，基于電機(jī)制造復(fù)雜度考慮，只需簡單地使轉(zhuǎn)子齒數(shù)加一，即可實(shí)現(xiàn)齒槽轉(zhuǎn)矩大幅降低。

2.2 電機(jī)拓?fù)?/h3>

傳統(tǒng)的12槽10極磁通切換電機(jī)拓?fù)淙鐖D1(a)所示，定子由12個(gè)U形導(dǎo)磁鐵心構(gòu)成，中間嵌入12片沿箭頭方向交替充磁的永磁體，定子繞組采用雙層集中繞組，每個(gè)定子齒上均嵌套有一個(gè)集中式繞組線圈，按照“A-B-C”相序分布[19]。轉(zhuǎn)子也為凸極結(jié)構(gòu)，僅由導(dǎo)磁材料構(gòu)成，無永磁體和繞組，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠。

基于齒極配合關(guān)系式(3)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子極數(shù)為11時(shí)，等效每極每相線圈數(shù)q′應(yīng)為2，需要不同于12槽10極結(jié)構(gòu)的定子繞組分布。將定子繞組中屬于每相的2個(gè)電樞線圈均集中并反向纏繞在相鄰的齒上，連續(xù)相鄰的2個(gè)電樞線圈即可等效成1個(gè)電樞線圈。12槽11極磁通切換電機(jī)拓?fù)淙鐖D1(b)所示。

圖1 電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

上述2種磁通切換電機(jī)模型，僅在定子繞線方式和轉(zhuǎn)子極數(shù)方面存在區(qū)別，定子鐵心及永磁體尺寸、排布等各項(xiàng)參數(shù)均保持一致。2種電機(jī)模型主要參數(shù)如表2所示。

表2 磁通切換電機(jī)基本參數(shù)

2.3 電磁轉(zhuǎn)矩

定義轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)：

(5)

電流密度5 A/mm2，轉(zhuǎn)速330 r/min時(shí)2電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩特性如圖2所示。

圖2 電磁轉(zhuǎn)矩

表3給出了2種磁通切換電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩具體性能數(shù)據(jù)對比?？梢钥吹剑?2/10模型轉(zhuǎn)矩平均值16.1 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)23.96%，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度較大；12/11模型轉(zhuǎn)矩平均值17.41 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)3.97%，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)明顯降低。12/11模型在電磁轉(zhuǎn)矩平均值比12/10模型提升了8.14%的同時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低了83.4%。

表3 12/10與12/11電磁轉(zhuǎn)矩性能對比

相較而言，12/11磁通切換電機(jī)具有更大的轉(zhuǎn)矩平均值、更小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在電動(dòng)自行車應(yīng)用中，能夠?yàn)橛脩魩砀孢m的騎乘體驗(yàn)。

3 斜極優(yōu)化

針對12/11磁通切換電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩問題，采用轉(zhuǎn)子斜極方法作進(jìn)一步優(yōu)化。

基于優(yōu)化效果和實(shí)際加工成本的綜合考慮，轉(zhuǎn)子斜極采用7段分段斜極方式，省去模型內(nèi)繞組，對轉(zhuǎn)子總斜極角度θ進(jìn)行參數(shù)化掃描，仿真分析12/11磁通切換電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩。

12/11磁通切換電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值隨總斜極角度變化特性如圖3所示?？梢钥闯?，隨著斜極角度的增加，齒槽轉(zhuǎn)矩在0°～5.5°范圍內(nèi)由380 mN·m開始快速下降，在5.5°取得最小值，齒槽轉(zhuǎn)矩僅58.5 mN·m，比斜極優(yōu)化前削弱了84.6%。

圖3 齒槽轉(zhuǎn)矩-斜極角度曲線

在導(dǎo)線電流密度5 A/mm2電流激勵(lì)、330 r/min額定轉(zhuǎn)速下，對12/11磁通切換電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩-斜極角度特性進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖4所示?？梢钥吹?，圖4 (a)中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)隨總斜極角度的變化，在剛開始時(shí)與圖3中齒槽轉(zhuǎn)矩的變化趨勢基本一致，隨著斜極角度的增加而下降，在8°時(shí)脈動(dòng)僅0.92%，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了齒槽轉(zhuǎn)矩是磁通切換電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要影響因素之一。

圖4 電磁轉(zhuǎn)矩-斜極角度曲線

然而，電磁轉(zhuǎn)矩的平均值隨著總斜極角度的增加，呈現(xiàn)出由慢到快的下降趨勢，斜極角度越大，對轉(zhuǎn)矩平均值的負(fù)面影響越大，如圖4(b)所示。由于齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化效果趨于平緩，而轉(zhuǎn)矩平均值快速減小，故轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)在后期出現(xiàn)了振蕩上升的趨勢。

由圖4轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)曲線可知，當(dāng)斜極總角度為3°時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)已降至2%，比未優(yōu)化的12/11模型進(jìn)一步降低了49.6%，而電磁轉(zhuǎn)矩平均值僅下降了1.4%，轉(zhuǎn)矩性能提升明顯。綜合考慮轉(zhuǎn)矩平均值和脈動(dòng)，選擇3°作為最終的斜極角度。

經(jīng)斜極優(yōu)化后的12/11磁通切換電機(jī)轉(zhuǎn)矩平均值Tavg為17.16 N·m,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)Trip為2.00%?？梢钥吹剑c傳統(tǒng)的12/10模型相比，優(yōu)化后的12/11模型在轉(zhuǎn)矩增加了6.58%的同時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低了91.7%，轉(zhuǎn)矩性能明顯更優(yōu)。

4 性能驗(yàn)證

2019年開始實(shí)施的電動(dòng)自行車新國標(biāo)中規(guī)定，最大車速不超過 25 km/h，電動(dòng)機(jī)連續(xù)額定輸出功率不超過0.4 kW?；谝陨弦?guī)定以及電動(dòng)自行車常用48 V直流電源的綜合考慮，對本文設(shè)計(jì)的12槽11極磁通切換電機(jī)在電動(dòng)自行車中的應(yīng)用性能進(jìn)行驗(yàn)證分析。

將磁通切換電機(jī)相電壓幅值設(shè)置在24 V以內(nèi)，導(dǎo)線最大電流密度不超過8 A/mm2，在上述限制條件下，通過有限元軟件對優(yōu)化后12/11模型進(jìn)行仿真，計(jì)算不同工況下對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩和效率數(shù)值，得到轉(zhuǎn)速0～330 r/min的輸出效率云圖,如圖5所示。

圖5 輸出效率云圖

圖5中曲線1為額定功率0.207 kW下轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線，可以看出，當(dāng)電機(jī)以330 r/min，輸出轉(zhuǎn)矩6 N·m的額定狀態(tài)行駛時(shí)，輸出效率高于90%。經(jīng)分析計(jì)算，電機(jī)運(yùn)行在該額定狀態(tài)時(shí)，電樞電流大小為5.6 A，導(dǎo)線電流密度僅為1.96 A/mm2，發(fā)熱在可控范圍內(nèi)，能夠在自然風(fēng)冷工況下長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

曲線2為最大輸出功率0.4 kW時(shí)的轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線，可以看到，在滿足最大輸出功率限制條件時(shí)，該電機(jī)能夠在147 r/min(11 km/h)速度內(nèi)，輸出最大26 N·m的轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩能夠達(dá)到最大坡度角5.7°(10%坡度)路況下的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩需要，無需減速器即可滿足日常路況行駛需求。

直驅(qū)結(jié)構(gòu)不僅能降低驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度，減輕車身質(zhì)量，節(jié)省減速器的成本，而且可減少因減速器齒輪系統(tǒng)造成的大量噪聲，帶來更舒適的用戶體驗(yàn)。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)電動(dòng)自行車動(dòng)力學(xué)需求，針對12/10磁通切換電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩大的問題，設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)自行車用12/11磁通切換電機(jī)，并采用轉(zhuǎn)子分段斜極方法進(jìn)一步優(yōu)化其齒槽轉(zhuǎn)矩，得到以下結(jié)論：

(1)12/11磁通切換電機(jī)比傳統(tǒng)12/10結(jié)構(gòu)，在電磁轉(zhuǎn)矩平均值提升了8.14%的同時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低了83.4%。

(2)通過轉(zhuǎn)子分段斜極設(shè)計(jì)可以有效抑制齒槽轉(zhuǎn)矩，斜極角度3°時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)僅有2%。

(3)本文設(shè)計(jì)的12/11磁通切換電機(jī)可直接用于電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)，能夠滿足日常行駛需求。結(jié)構(gòu)可靠及無需減速器帶來的諸多優(yōu)勢，使其在該領(lǐng)域擁有良好的應(yīng)用前景。