電動(dòng)汽車用內(nèi)置式永磁無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)研究＊

劉建林，馮垚徑，高 磊，楊 凱

（1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151；3.華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)是隨著電力電子技術(shù)及新型永磁材料的發(fā)展而迅速成熟起來(lái)的一種新型電機(jī)，具有體積小、重量輕、效率高、慣量小和控制精度高等優(yōu)點(diǎn)[1－2]，同時(shí)還保留了普通直流電機(jī)優(yōu)良的機(jī)械特性，廣泛應(yīng)用于伺服控制、數(shù)控機(jī)床、電動(dòng)車輛、機(jī)器人等領(lǐng)域[1－4].

電動(dòng)汽車是交通運(yùn)輸業(yè)面臨能源與環(huán)境雙重壓力的必然選擇，是未來(lái)汽車工業(yè)的重要發(fā)展方向.永磁電機(jī)具有高效、高功率密度的特點(diǎn)，特別適宜用作電動(dòng)汽車主驅(qū)電機(jī).內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度高、弱磁調(diào)速能力強(qiáng)，永磁體的抗去磁能力強(qiáng)，在車輛驅(qū)動(dòng)中永磁無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用廣泛[5－12].本文基于已有的某輕型電動(dòng)轎車，設(shè)計(jì)研究了一臺(tái)內(nèi)置式永磁無(wú)刷直流電機(jī).

1 電機(jī)性能指標(biāo)的確定

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能指標(biāo)的確定需要根據(jù)電動(dòng)汽車車輛參數(shù)以及動(dòng)力性能指標(biāo)分析確定.表1是該電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能指標(biāo).

表1 電動(dòng)汽車性能指標(biāo)Tab.1 Performance of the electric vehicle（EV）

永磁無(wú)刷直流電機(jī)一般采用基速以下恒轉(zhuǎn)矩、基速以上恒功率的控制模式[2，13－15].為了獲得恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等性能指標(biāo)，電動(dòng)機(jī)與電動(dòng)汽車之間動(dòng)力參數(shù)的匹配需建立在對(duì)汽車行駛性能分析的基礎(chǔ)上[6].在本方案中，根據(jù)電動(dòng)汽車極限加速時(shí)間、最高車速以及爬坡能力等對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的要求，得到電機(jī)的外特性曲線如圖1所示.

電機(jī)轉(zhuǎn)速與車速相對(duì)應(yīng)，因此額定轉(zhuǎn)速一般根據(jù)電動(dòng)汽車的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行車速來(lái)確定.汽車在最大車速下水平勻速運(yùn)行時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)功率，作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率，進(jìn)而得到電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩.根據(jù)電動(dòng)汽車的檔位設(shè)計(jì)，峰值轉(zhuǎn)矩通常為額定轉(zhuǎn)矩的2～3倍.再綜合考慮運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、成本等因素，確定本方案中電機(jī)的主要性能指標(biāo)如表2所示.

圖1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)外特性Fig.1 Output characteristic of the drive motor

表2 電機(jī)性能指標(biāo)Tab.2 Motor parameters

2 電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 主要尺寸

電機(jī)的主要尺寸包括：電樞直徑D1、電樞有效長(zhǎng)度Lef和電機(jī)長(zhǎng)徑比λ.根據(jù)電機(jī)材料以及散熱條件等要求，選取合理的電負(fù)荷、磁負(fù)荷后，可大致確定電機(jī)的體積；考慮電動(dòng)汽車的安裝尺寸要求，確定合理的電機(jī)長(zhǎng)徑比，再根據(jù)電機(jī)體積即可初步估算出電樞直徑和電樞有效長(zhǎng)度.主要尺寸的選取可采用如下估算公式[16]：

式中，TN為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，A為線負(fù)荷，Bδ1為氣隙磁密基波幅值，p為電機(jī)極對(duì)數(shù).電機(jī)長(zhǎng)徑比λ可取值為1.5～2范圍內(nèi).

2.2 定子繞組

理想的無(wú)刷直流電機(jī)要求具有相當(dāng)寬度的梯形波反電動(dòng)勢(shì)，因此在繞組設(shè)計(jì)時(shí)盡可能選擇集中整距繞組[14].定子繞組匝數(shù)影響電機(jī)的反電勢(shì)系數(shù)、交直軸電抗等參數(shù)，且一定程度上決定了高效運(yùn)行范圍，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)額定轉(zhuǎn)速來(lái)合理選取.為了獲得較高的功率因數(shù)，繞組匝數(shù)選取時(shí)應(yīng)使空載反電勢(shì)與額定電壓值相當(dāng).

2.3 極弧系數(shù)

理想的無(wú)刷直流電機(jī)要求氣隙磁密波形為方波，故永磁磁極設(shè)計(jì)需選擇盡可能大的極弧系數(shù)[14].采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)時(shí)，除保證足夠的永磁體寬度以提供盡可能大的氣隙磁通外，極弧系數(shù)還受到隔磁橋尺寸和永磁體厚度的影響，需綜合選取.

對(duì)于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，極弧系數(shù)αp近似為電機(jī)極靴弧長(zhǎng)b與極距τ1之比[16]，即

2.4 永磁體尺寸

永磁體尺寸主要指磁鋼的軸向長(zhǎng)度LM，寬度bM和磁化方向厚度hM.磁鋼的軸向長(zhǎng)度一般與電動(dòng)機(jī)鐵心長(zhǎng)度相同，寬度根據(jù)所需磁負(fù)荷確定.磁化方向厚度要兼顧電磁性能與機(jī)械性能：磁鋼太厚容易導(dǎo)致直軸電抗小、影響弱磁擴(kuò)速能力，經(jīng)濟(jì)性也較差；磁鋼太薄則可能無(wú)法保證足夠的過(guò)載能力，同時(shí)容易發(fā)生不可逆退磁、可靠性降低，且機(jī)械強(qiáng)度差.

對(duì)于“一字型”徑向磁路結(jié)構(gòu)的電機(jī)，可按如下預(yù)估公式來(lái)計(jì)算永磁體尺寸[16]：

式中，bm0為預(yù)估的永磁體空載工作點(diǎn)，一般取值為0.6～0.85；Ks為電動(dòng)機(jī)的飽和系數(shù)，取值為1.05～1.3；Kα為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)系數(shù)，取值為0.7～1.2；σ0為空載漏磁系數(shù)；KΦ為氣隙磁通波形系數(shù)，與電機(jī)的極弧系數(shù)有關(guān)；Br為永磁體剩磁密度.

2.5 設(shè)計(jì)結(jié)果

本文借助Ansoft軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)磁路法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了有限元仿真分析.圖2是電機(jī)的四分之一二維仿真模型.

圖2 電機(jī)電磁分析模型Fig.2 Motor electromagnetic model

仿真分析得到的空載氣隙磁密波形和繞組空載反電勢(shì)波形分別如圖3和圖4所示.

圖3 空載氣隙磁密Fig.3 Air gap magnetic flux density

圖4 繞組反電勢(shì)Fig.4 Induced voltage

3 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響

電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要尺寸一旦確定，可變參數(shù)就局限于氣隙長(zhǎng)度、永磁體尺寸、定子線圈匝數(shù)等.為探究上述關(guān)鍵參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響，利用Ansoft軟件中Rmxprt模塊的參數(shù)化分析功能，研究參數(shù)調(diào)整對(duì)電機(jī)效率、轉(zhuǎn)矩電流比的影響.考慮到飽和、漏磁等非線性因素對(duì)電機(jī)性能的影響，分析時(shí)結(jié)合Maxwell 2D有限元分析對(duì)參數(shù)化分析結(jié)果進(jìn)行了修正.

本文選取了4組方案的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體方案的參數(shù)設(shè)置如表3所示.

表3 對(duì)比方案的參數(shù)設(shè)置Tab.3 Parameter settings of comparison projects

3.1 氣隙長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)性能的影響

僅改變氣隙長(zhǎng)度，即采用方案1與方案2進(jìn)行對(duì)比分析.計(jì)算結(jié)果如下：圖5為輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比曲線，圖6為效率對(duì)比曲線，圖7為轉(zhuǎn)矩電流比對(duì)比曲線.

圖5 輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比Fig.5 Contrast of output torque

圖6 效率對(duì)比Fig.6 Contrast of efficiency

從圖5～7可以看出：在轉(zhuǎn)矩輸出相同的情況下，方案2在低速區(qū)（0～2 000r／min）具有更高的效率和更大的轉(zhuǎn)矩電流比，在高速區(qū)兩種方案獲得的電機(jī)性能相當(dāng).由此可知，減小氣隙長(zhǎng)度可提高電機(jī)低速區(qū)性能.當(dāng)然，實(shí)際設(shè)計(jì)中還要考慮制造、裝配等因素，在滿足機(jī)械加工要求的前提下盡可能選擇較小的氣隙.

圖7 轉(zhuǎn)矩電流比對(duì)比Fig.7 Contrast of the torque－current ratio

3.2 永磁體厚度對(duì)電機(jī)性能的影響

僅改變永磁體厚度，即采用方案1與方案3進(jìn)行對(duì)比分析.計(jì)算得到輸出轉(zhuǎn)矩、效率以及轉(zhuǎn)矩電流比的對(duì)比曲線如圖8～10所示.

圖8 輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比Fig.8 Contrast of output torque

圖9 效率對(duì)比Fig.9 Contrast of efficiency

從圖8～10可以看出：在轉(zhuǎn)矩輸出相同的情況下，方案3在整個(gè)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)具有更高的效率和更大的轉(zhuǎn)矩電流比.由此可知，增加永磁體用量對(duì)電機(jī)整體運(yùn)行性能有所提升.但是，永磁體用量的增加會(huì)使電機(jī)造價(jià)提升，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮，兼顧成本.

圖10 轉(zhuǎn)矩電流比對(duì)比Fig.10 Contrast of the torque－current ratio

3.3 定子線圈匝數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響

僅改變定子線圈匝數(shù)，即采用方案1與方案4進(jìn)行對(duì)比分析.計(jì)算得到輸出轉(zhuǎn)矩、效率以及轉(zhuǎn)矩電流比的對(duì)比曲線如圖11～13所示.

圖11 輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比Fig.11 Contrast of output torque

圖12 效率對(duì)比Fig.12 Contrast of efficiency

圖13 轉(zhuǎn)矩電流比對(duì)比Fig.13 Contrast of the torque－current ratio

從圖11～13可以看出：在轉(zhuǎn)矩輸出相同的情況下，方案4的轉(zhuǎn)矩電流比在低速區(qū)（0～2 000r／min）明顯小于方案1，但在高速區(qū)效率和轉(zhuǎn)矩電流比有所提升.由此可知，適當(dāng)減少繞組匝數(shù)可以提高電機(jī)高速區(qū)的性能，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致低速區(qū)轉(zhuǎn)矩電流比下降，這就意味著系統(tǒng)對(duì)控制器的電流輸出能力提高，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需要特別注意.

4 負(fù)載率對(duì)電機(jī)性能的影響

電動(dòng)汽車的實(shí)際運(yùn)行工況相當(dāng)復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)不可能維持在某一特定工作點(diǎn)運(yùn)行，負(fù)載率處于不斷變化當(dāng)中.考察不同負(fù)載率下的電機(jī)性能，有助于綜合評(píng)判電機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量.在此選取不同的轉(zhuǎn)矩特性曲線進(jìn)行分析，如圖14所示，轉(zhuǎn)矩特性1～3分別代表的是重載、額定負(fù)載和輕載條件下的運(yùn)行情況.分析得到3組隨負(fù)載率變化的效率、轉(zhuǎn)矩電流比特性曲線，分別如圖15和圖16所示.

圖14 輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比Fig.14 Contrast of output torque

圖15 效率對(duì)比Fig.15 Contrast of efficiency

從圖14～16可以看出，不同負(fù)載率下，電機(jī)的效率和轉(zhuǎn)矩電流比有著明顯的差別.

任意負(fù)載下，電機(jī)效率都會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而先增大后減小，但重載情況下的效率最大值出現(xiàn)在額定轉(zhuǎn)速以下，額定負(fù)載時(shí)的效率最大值出現(xiàn)在額定轉(zhuǎn)速附近，而輕載時(shí)的效率最大值出現(xiàn)在額定轉(zhuǎn)速以上；相同轉(zhuǎn)速下，額定負(fù)載時(shí)電機(jī)的效率較高，說(shuō)明設(shè)計(jì)方案對(duì)電機(jī)額定點(diǎn)的選取較為合理.

圖16 轉(zhuǎn)矩電流比對(duì)比Fig.16 Contrast of the torque－current ratio

由于電機(jī)在高速運(yùn)行區(qū)進(jìn)行了弱磁擴(kuò)速，轉(zhuǎn)矩電流比的變化同時(shí)還受到電流超前導(dǎo)通角的影響，因此僅對(duì)低速運(yùn)行區(qū)的情況進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：在未進(jìn)行超前導(dǎo)通角調(diào)節(jié)的運(yùn)行區(qū)域，相同轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩電流比隨著負(fù)載率的增加而增大.分析認(rèn)為：由于內(nèi)置式永磁無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路不對(duì)稱，使得輸出轉(zhuǎn)矩中包含磁阻轉(zhuǎn)矩分量，而磁阻轉(zhuǎn)矩正比于電流的平方.因此，當(dāng)負(fù)載功率增加引起輸入電流增大時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩增大的幅度更大，故轉(zhuǎn)矩電流比增大.這也是內(nèi)置式永磁電機(jī)與表貼式永磁電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要差別.

5 優(yōu)化樣機(jī)及測(cè)試

根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)、負(fù)載率等因素對(duì)電機(jī)性能的影響結(jié)果，對(duì)樣機(jī)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化.主要的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果如表4所示.

表4 樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Tab.4 Parameter settings of comparison projects

圖17為采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案制作的樣機(jī)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可得到電動(dòng)機(jī)的外特性曲線.

圖18中，將樣機(jī)的測(cè)試性能結(jié)果與電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所要求的目標(biāo)性能指標(biāo)（即通過(guò)電動(dòng)機(jī)與電動(dòng)汽車之間動(dòng)力參數(shù)的匹配得到的電機(jī)外特性曲線）進(jìn)行對(duì)比，由圖可以看出：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的轉(zhuǎn)矩和功率都能較好地滿足系統(tǒng)要求，恒功率區(qū)也達(dá)到目標(biāo)值，樣機(jī)綜合性能符合應(yīng)用需要.

圖17 優(yōu)化樣機(jī)Fig.17 Optimized prototype

圖18 優(yōu)化樣機(jī)的測(cè)試性能與目標(biāo)性能對(duì)比Fig.18 Contrast of test and target performance of the prototype

6 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了一臺(tái)電動(dòng)汽車用內(nèi)置式永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，并分析了電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)效率、轉(zhuǎn)矩電流比的影響.在機(jī)械加工能力允許的前提下，適當(dāng)減小氣隙長(zhǎng)度可提高電機(jī)低速區(qū)性能；在兼顧成本的同時(shí)，適當(dāng)增加永磁體用量可提升電機(jī)整體性能；適當(dāng)減少繞組匝數(shù)可提高電機(jī)高速區(qū)性能，但會(huì)導(dǎo)致低速區(qū)的轉(zhuǎn)矩電流比下降.

2）分析了不同負(fù)載率下電機(jī)的性能.電機(jī)的效率在輕載時(shí)較低，重載時(shí)較高，額定負(fù)載時(shí)電機(jī)整體效率最高，說(shuō)明設(shè)計(jì)方案對(duì)額定點(diǎn)的選取合理；轉(zhuǎn)矩電流比隨負(fù)載率的增加而增大，主要是由于輸出轉(zhuǎn)矩中存在著與電流成平方正比關(guān)系的磁阻轉(zhuǎn)矩分量導(dǎo)致的，這是內(nèi)置式永磁電機(jī)與表貼式永磁電機(jī)的一個(gè)重要區(qū)別.

3）根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案研制了樣機(jī)并完成性能測(cè)試.測(cè)試結(jié)果表明，樣機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)的轉(zhuǎn)矩、功率都滿足驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求，樣機(jī)綜合性能符合應(yīng)用需要.

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