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    電動汽車用定子永磁型磁通記憶式游標(biāo)電機(jī)性能分析*

    2014-08-08 09:02:46葛葉明朱孝勇
    電機(jī)與控制應(yīng)用 2014年4期
    關(guān)鍵詞:電樞永磁體氣隙

    葛葉明, 朱孝勇,, 陳 龍

    (1. 江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2. 江蘇大學(xué) 汽車工程研究院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

    0 引 言

    隨著全球石油資源緊張、大氣污染嚴(yán)重,電動汽車越來越受到廣泛的關(guān)注,電動汽車用驅(qū)動電機(jī)應(yīng)具有高效率、高功率密度、寬調(diào)速范圍和低速大轉(zhuǎn)矩等特性。長期以來,電動汽車用電機(jī)通過配備機(jī)械變速箱實(shí)現(xiàn)低速和高轉(zhuǎn)矩,但是由于機(jī)械齒輪依賴齒輪的嚙合來傳遞力矩,不可避免帶來一些弊端,如摩擦損耗大、需要定期潤滑、存在振動和噪聲等。近年來,新型磁齒輪傳動技術(shù)得到了快速發(fā)展。磁齒輪特別是共軸磁性齒輪由于具有無接觸、無噪聲、無需潤滑、自動過載保護(hù)、高轉(zhuǎn)矩密度等優(yōu)點(diǎn)越來越受到關(guān)注[1-3]。最近,通過游標(biāo)結(jié)構(gòu)來獲得“磁齒輪效應(yīng)”的永磁游標(biāo)電機(jī)引起了廣泛關(guān)注[4-7],該電機(jī)將用于磁場調(diào)制的調(diào)制鐵心與定子齒相結(jié)合,有效降低了電機(jī)的氣隙層數(shù),結(jié)構(gòu)簡單,減少了制造的困難和成本,另外該類電機(jī)還具備低速大轉(zhuǎn)矩特性,能滿足電動汽車等直驅(qū)式應(yīng)用場合的要求。

    相比其他電動汽車用電機(jī),定子永磁型電機(jī)具有高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)[8],在永磁體散熱、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面具有一定優(yōu)勢,但由于永磁材料的固有特性,電機(jī)內(nèi)氣隙磁場基本保持恒定,作電動機(jī)運(yùn)行時(shí),調(diào)速范圍有限,限制了恒功率高速運(yùn)行,在電動汽車等需寬調(diào)速運(yùn)行場合的應(yīng)用受到一定的限制[9]。定子永磁型混合勵(lì)磁電機(jī)[10-14],引入電勵(lì)磁繞組,通過改變勵(lì)磁電流的大小和方向?qū)崿F(xiàn)電機(jī)氣隙磁場的靈活調(diào)節(jié)與控制,能有效拓寬電機(jī)的調(diào)速范圍,但持續(xù)的勵(lì)磁電流會產(chǎn)生額外的勵(lì)磁繞組銅耗,使得電機(jī)在高速區(qū)的運(yùn)行效率降低。為解決該問題,Vlado Ostovic教授在2001年首次提出了記憶電機(jī)即磁通可控式永磁電機(jī)[15-16],記憶的概念主要是基于永磁電動機(jī)中所用永磁材料的特性,即材料本身的磁化程度能夠在很短的時(shí)間內(nèi)通過施加充、去磁磁動勢而得到改變,且充、去磁之后其磁化程度亦能被記憶,從而達(dá)到了簡單、有效地調(diào)節(jié)電動機(jī)內(nèi)磁場及氣隙磁密的目的。理論上,滿足這一要求的永磁體必須具有低矯頑力的特點(diǎn),另外為得到較高的力能指標(biāo),永磁體的剩磁應(yīng)盡可能大。具有低矯頑力和高剩磁密度的鋁鎳鈷永磁材料成為該新型記憶電機(jī)的首選材料之一。

    本文將定子永磁型磁通記憶電機(jī)與游標(biāo)結(jié)構(gòu)相結(jié)合,提出了一種新型定子永磁型磁通記憶式游標(biāo)(Stator Permanent Magnet Flux-Mnemonic Vernier, SPM-FMV)電機(jī)。該電機(jī)采用了可在線充、去磁的鋁鎳鈷永磁體,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)磁場的調(diào)節(jié)與控制。電機(jī)高速時(shí)可采取弱磁控制,有效拓寬了調(diào)速范圍;另外,為獲得低速大轉(zhuǎn)矩性能,電機(jī)外層定子上增加了調(diào)制齒,形成具備“磁齒輪效應(yīng)”的新型游標(biāo)電機(jī)結(jié)構(gòu)。本文討論了該電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理,采用分段線性磁滯模型和有限元相結(jié)合的方法,分析了電機(jī)的電磁性能,還討論了電機(jī)的動態(tài)驅(qū)動性能。研究表明,該電機(jī)具有寬調(diào)速范圍和低速大轉(zhuǎn)矩的特性。

    1 電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

    新型SPM-FMV電機(jī)的結(jié)構(gòu)截面圖如圖1所示。該電機(jī)外轉(zhuǎn)子無繞組,也無永磁體,結(jié)構(gòu)簡單,機(jī)械強(qiáng)度高,可用作車輛輪轂電機(jī),減少了中間傳動環(huán)節(jié),提高了轉(zhuǎn)矩傳遞效率。其內(nèi)層定子采用分層結(jié)構(gòu),定子內(nèi)層上嵌有鋁鎳鈷永磁體,永磁體之間的開槽既起到隔磁,減輕重量的作用,又能放置直流磁化繞組,對鋁鎳鈷永磁體進(jìn)行在線調(diào)磁,磁場調(diào)節(jié)手段簡單、直接;外層定子采用多齒式游標(biāo)結(jié)構(gòu),通過在每個(gè)定子齒外延集成3個(gè)調(diào)制齒,實(shí)現(xiàn)對氣隙磁場的調(diào)制,調(diào)制出相應(yīng)的磁場諧波分量,實(shí)現(xiàn)能量和轉(zhuǎn)矩的傳遞??梢?,調(diào)制齒的基本原理和同軸磁性齒輪調(diào)磁環(huán)上的調(diào)磁塊相類似[17],通過采用調(diào)制齒和轉(zhuǎn)子齒的不同配比,能實(shí)現(xiàn)電機(jī)磁場按一定的比例調(diào)制和電機(jī)的變速運(yùn)行。

    圖1 新型SPM-FMV電機(jī)結(jié)構(gòu)截面圖

    與共軸磁性齒輪和永磁游標(biāo)電機(jī)相似[2-5],SPM-FMV電機(jī)滿足:

    pr=Ns-ps

    (1)

    式中:pr——轉(zhuǎn)子極數(shù);

    Ns——調(diào)制齒的齒數(shù);

    ps——電樞繞組等效極對數(shù)。

    根據(jù)磁齒輪的基本原理,電機(jī)電樞繞組旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比值Gr為

    (2)

    式中:m=1,3,5,…,∞;k=0,±1,±2,±3,…,±∞。對SPM-FMV電機(jī)來說,為產(chǎn)生最高次的異步空間諧波,取m=1,k=-1;由于該電機(jī)是12/8極雙凸極永磁(Doubly Salient Permanent Magnet, DSPM)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[18-19],根據(jù)DSPM電機(jī)的基本運(yùn)行原理,電機(jī)的轉(zhuǎn)子極數(shù)和電樞繞組等效極對數(shù)相等,即ps=8,則當(dāng)每個(gè)定子極上分裂出3個(gè)調(diào)制齒,則調(diào)制齒總數(shù)目Ns= 36。根據(jù)式(1),可得到轉(zhuǎn)子極數(shù)pr= 28。根據(jù)式(2)可以得到轉(zhuǎn)速比Gr為-7∶2 ,即電樞繞組旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的3.5 倍,而旋轉(zhuǎn)方向相反。當(dāng)定子電樞繞組通以三相50Hz交流電時(shí),因?yàn)殡姌欣@組等效極對數(shù)為8,可產(chǎn)生375r/min的旋轉(zhuǎn)磁場,根據(jù)轉(zhuǎn)速比Gr為-7∶2 ,可得到轉(zhuǎn)子在相反方向上的轉(zhuǎn)速會降到107r/min。

    相比傳統(tǒng)定子永磁型電機(jī)[9],SPM-FMV電機(jī)的特點(diǎn)有: (1) 電機(jī)只有1個(gè)氣隙,比一般磁齒輪永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,而后者有3個(gè)或2個(gè)氣隙[20];(2) 外轉(zhuǎn)子是無繞組、無永磁體的凸極結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單,機(jī)械強(qiáng)度高,可與電動汽車車輪直接集成,形成輪轂電機(jī);(3) 由于磁化電流作用時(shí)間較短(<1s),與混合勵(lì)磁類永磁電動機(jī)相比,不存在調(diào)節(jié)磁通時(shí)所需的持續(xù)勵(lì)磁電流損耗,電機(jī)效率更高;(4) 電樞繞組和鋁鎳鈷永磁體分布在定子的內(nèi)外兩層,最大限度避免了電樞反應(yīng)對永磁體的影響;(5) 電機(jī)采用集中式繞組,使端部線圈較小,從而減少了用銅量和銅耗。

    根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理,SPM-FMV電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可表示為

    (3)

    式中:W′(ip,θ)——磁共能;

    TPM——電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩;

    Tr——磁阻轉(zhuǎn)矩;

    θ——轉(zhuǎn)子位置角;

    k——磁通調(diào)節(jié)系數(shù);

    ψPMmax——鋁鎳鈷永磁體滿磁化狀態(tài)下的三相繞組永磁磁鏈,ψPMmax=[ψPMaψPMbψPMc]T;

    I——三相電樞電流,I=[iaibic]T;

    L——三相電樞繞組電感。

    由式(3)中可知,通過改變磁通調(diào)節(jié)系數(shù)k,能夠調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)氣隙磁場。當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí),電機(jī)工作在k=1即滿磁狀態(tài),能夠輸出高轉(zhuǎn)矩;當(dāng)電機(jī)恒功率高速運(yùn)行時(shí),通過施加短時(shí)磁化電流脈沖,減小電機(jī)氣隙磁場強(qiáng)度,從而實(shí)現(xiàn)弱磁升速。

    2 電磁性能

    SPM-FMV原理樣機(jī)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。由于鋁鎳鈷永磁體磁化特性具有強(qiáng)非線性、多值性的特點(diǎn),基于鋁鎳鈷永磁體實(shí)際的磁滯回線模型,采用分段線性磁滯模型與有限元時(shí)步法相結(jié)合的方法對其靜態(tài)和瞬態(tài)電磁性能進(jìn)行了仿真分析[21]。

    表1 SPM-FMV原理樣機(jī)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)

    SPM-FMV電機(jī)在k=1即滿磁狀態(tài)下不同轉(zhuǎn)子位置時(shí)的空載磁場分布如圖2所示。其中圖2(a)為轉(zhuǎn)子初始位置角θr=0°時(shí)的空載磁場分布。圖2(b)為轉(zhuǎn)子位置角θr=7.72°即旋轉(zhuǎn)了3/5極距的空載磁場分布。電機(jī)氣隙磁密被調(diào)節(jié)為滿磁狀態(tài)1/3時(shí)的不同轉(zhuǎn)子位置角的空載磁場分布如圖3所示??煽闯?,每個(gè)定子極上的磁力線通過調(diào)制齒調(diào)節(jié)后通過氣隙和轉(zhuǎn)子又回到定子極上,從而達(dá)到了磁場調(diào)制的效果。比較兩個(gè)不同轉(zhuǎn)子位置的磁場分布可發(fā)現(xiàn),在一個(gè)相對較短的極距內(nèi)磁力線分布發(fā)生了很大變化,從而在低速運(yùn)行時(shí)得到高轉(zhuǎn)矩。另外,可看出k=1時(shí)電機(jī)的磁通密度明顯強(qiáng)于k=1/3時(shí)的磁通密度,驗(yàn)證了通過改變磁通調(diào)節(jié)系數(shù)k,可有效調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)氣隙磁場。

    圖2 k=1時(shí)不同轉(zhuǎn)子位置下的空載磁場分布

    圖3 k=1/3時(shí)不同轉(zhuǎn)子位置下的空載磁場分布

    為進(jìn)一步驗(yàn)證電機(jī)的磁場調(diào)節(jié)能力,考查SPM-FMV電機(jī)在轉(zhuǎn)速為500r/min 時(shí)不同磁化狀態(tài)下的反電勢、徑向氣隙磁密分布波形分別如圖4、圖5所示??煽闯觯蛰d反電勢峰值從25V 調(diào)節(jié)到75V,氣隙磁密幅值從0.3T調(diào)節(jié)到0.9T,證明通過在線調(diào)節(jié)鋁鎳鈷磁化程度能有效調(diào)節(jié)空載反電勢和氣隙磁密,且實(shí)現(xiàn)氣隙磁場的調(diào)節(jié)容易,電機(jī)可通過弱磁升速來獲得寬調(diào)速特性。盡管該電機(jī)采用了雙凸極結(jié)構(gòu),由于在每個(gè)定子極上添加了調(diào)制齒,反電勢不再是梯形波,而近似于正弦波。由圖5可知,氣隙磁密在0~180°有18個(gè)峰值,這跟磁齒輪效應(yīng)原理相符。

    圖4 不同磁化狀態(tài)下的反電勢波形

    圖5 不同磁化狀態(tài)下的氣隙磁密分布

    滿磁狀態(tài)下氣隙磁密對應(yīng)的空間諧波頻譜分析圖如圖6所示??煽闯?,通過引入調(diào)制齒,能將電機(jī)氣隙磁密調(diào)制出幅值較高(接近0.9T)、磁極對數(shù)與轉(zhuǎn)子齒數(shù)相同(等于28)的諧波分量,從而通過磁齒輪效應(yīng),實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速變比運(yùn)行。

    圖6 空間諧波頻譜分析圖

    由于該電機(jī)的空載反電勢不再呈現(xiàn)為梯形波,而是更接近于正弦波,故可采用正弦波控制,即BLAC控制方式。

    給定轉(zhuǎn)速為500r/min下的轉(zhuǎn)矩和電樞電流波形如圖7所示??煽闯?,通入幅值為20A電樞電流時(shí),SPM-FMV電機(jī)最大可提供45N·m的電磁轉(zhuǎn)矩,且轉(zhuǎn)矩脈動為13.6%,明顯小于傳統(tǒng)的雙凸極電機(jī)[22]。

    圖7 轉(zhuǎn)矩和電樞電流波形

    3 動態(tài)特性

    為驗(yàn)證SPM-FMV電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性及其基本驅(qū)動性能,考查該電機(jī)在不同給定轉(zhuǎn)速和不同給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的動態(tài)響應(yīng),如圖8所示。在電樞電流限幅值為20A的條件下,初始給定負(fù)載為20N·m,不計(jì)負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量,電機(jī)在0.08s達(dá)到給定轉(zhuǎn)速500r/min,此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩42N·m;在0.12s時(shí)給定轉(zhuǎn)速突變?yōu)?50r/min,0.2s 給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?0N·m,電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩均能快速達(dá)到了給定值??梢奡PM-FMV電機(jī)具有良好的動態(tài)響應(yīng)能力,能滿足電動汽車等頻繁變速運(yùn)行等工況的要求。

    圖8 突變速度和突變負(fù)載下電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)

    SPM-FMV電機(jī)采用了可在線充、去磁的鋁鎳鈷永磁材料,通過在線調(diào)節(jié)電機(jī)磁化繞組電流的大小和方向,能實(shí)現(xiàn)有效調(diào)節(jié)和控制電機(jī)的反電勢峰值。由于磁化繞組和勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩的存在,使得電機(jī)的控制方式更靈活,通過增磁、弱磁等不同工作模式的切換,能滿足電動汽車不同運(yùn)行工況的要求。

    圖9 SPM-FMV電機(jī)起動響應(yīng)、充磁電流曲線

    SPM-FMV電機(jī)起動響應(yīng)、充磁電流曲線如圖9所示。在相同的給定速度和負(fù)載條件下(給定轉(zhuǎn)速500r/min,負(fù)載轉(zhuǎn)矩20N·m),可看出,當(dāng)不施加充磁電流時(shí),達(dá)到給定轉(zhuǎn)速需要0.08s;當(dāng)有充磁電流時(shí),相同負(fù)載和轉(zhuǎn)動慣量下電機(jī)僅需要0.05s便達(dá)到相同的給定轉(zhuǎn)速。這表明電機(jī)起動時(shí)可通過施加充磁電流,縮短起動響應(yīng)時(shí)間,有效提高了電機(jī)動態(tài)響應(yīng)性能,能滿足電動汽車等起動、急加速等運(yùn)行工況的要求。

    重載爬坡時(shí),電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)曲線如圖10所示。首先給定負(fù)載20N·m,給定轉(zhuǎn)速500r/min起動,電樞電流限幅為20A,最大輸出轉(zhuǎn)矩為42N·m。由圖可見,電機(jī)在0.08s 時(shí)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速,輸出轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩20N·m ,電樞電流也降為8A;在0.12s時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?7N·m,電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和電樞電流立即增大到最大值,且此時(shí)最大輸出轉(zhuǎn)矩小于給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩,電機(jī)的轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出下降趨勢。磁化繞組的存在,為提供額外的正向磁化轉(zhuǎn)矩提供了可能。如圖10所示,在 0.16s時(shí)施加充磁電流,能產(chǎn)生與永磁轉(zhuǎn)矩方向一致的電磁轉(zhuǎn)矩,電機(jī)總輸出轉(zhuǎn)矩隨之增加并達(dá)到給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速上升至 500r/min,電機(jī)重新達(dá)到平衡狀態(tài)。在0.3s,負(fù)載降為 20N·m,此時(shí)不需要充磁電流來產(chǎn)生正的電磁轉(zhuǎn)矩,也可滿足要求。可見,電機(jī)在已處于滿磁狀態(tài)下和最大轉(zhuǎn)矩輸出情況下,仍可通過施加充磁電流產(chǎn)生正的電磁轉(zhuǎn)矩,滿足電動汽車等運(yùn)行場合重載、加速或者爬坡時(shí)所需要的大轉(zhuǎn)矩要求。

    圖10 重載爬坡時(shí)電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)曲線

    進(jìn)一步驗(yàn)證了該電機(jī)的寬調(diào)速運(yùn)行性能。傳統(tǒng)混合勵(lì)磁電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)需要持續(xù)施加去磁勵(lì)磁電流,SPM-FMV電機(jī)可通過直流去磁脈沖電流來調(diào)節(jié)永磁體磁化狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)了高速運(yùn)行時(shí)弱磁升速。弱磁運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和去磁脈沖電流曲線如圖11所示。給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為8N·m,起動時(shí)限流20A。由圖可知,隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷升高,電機(jī)的反電勢和端電壓逐漸趨于平衡,電機(jī)能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速僅為1580r/min。當(dāng)在1s時(shí)施加2A 的去磁電流,轉(zhuǎn)速上升至2050r/min,實(shí)現(xiàn)了弱磁升速,可看出弱磁后的電磁轉(zhuǎn)矩波動減小。

    圖11 弱磁運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和去磁脈沖電流曲線

    4 結(jié) 語

    本文將磁通記憶式電機(jī)概念和游標(biāo)結(jié)構(gòu)結(jié)合到定子永磁型電機(jī)中,提出了一種電動汽車用新型定子永磁型磁通記憶式游標(biāo)電機(jī),采用分段線性磁滯模型與有限元時(shí)步法相結(jié)合的方法對該電機(jī)的靜態(tài)和動態(tài)特性進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明,SPM-FMV電機(jī)能容易實(shí)現(xiàn)在線調(diào)節(jié)氣隙磁場,在低速運(yùn)行時(shí)能提供大轉(zhuǎn)矩,高速運(yùn)行可在線弱磁升速,并有效運(yùn)行在較寬的恒功率區(qū),拓寬了調(diào)速范圍。所以,SPM-FMV電機(jī)在電動汽車驅(qū)動領(lǐng)域具有一定的可行性和應(yīng)用前景。

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