基于Halbach陣列的車用可控磁通電機(jī)電磁分析

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(1.上海大眾汽車有限公司，上海 201805；2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

基于Halbach陣列的車用可控磁通電機(jī)電磁分析

周洋1，王心堅(jiān)2，黃佳2

(1.上海大眾汽車有限公司，上海 201805；2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

針對(duì)新能源汽車的電安全問題以及轉(zhuǎn)矩安全問題，提出一種采用Halbach陣列變磁阻結(jié)構(gòu)的可控磁通永磁電機(jī)。對(duì)電機(jī)空載特性、工作狀態(tài)特性和安全特性進(jìn)行了有限元仿真。仿真表明，電機(jī)能夠滿足車用電機(jī)的需求，并且能保證新能源汽車的電安全特性與轉(zhuǎn)矩安全特性。

Halbach陣列；變磁阻結(jié)構(gòu)；可控磁通；永磁電機(jī)

0 引言

永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性好、效率高，是目前新能源汽車車用電機(jī)的主流[1]。然而，永磁電機(jī)存在反電動(dòng)勢(shì)，在車輛系統(tǒng)失效的狀況下，高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)存在很高的反電動(dòng)勢(shì)，該反電動(dòng)勢(shì)會(huì)通過逆變器的6個(gè)二極管對(duì)電機(jī)控制器中濾波電容進(jìn)行充電，這樣驅(qū)動(dòng)側(cè)高壓系統(tǒng)的高壓存在安全隱患。歐盟的Economic and Social Council提出新能源車輛碰撞標(biāo)準(zhǔn)要求發(fā)生碰撞后高壓系統(tǒng)上的電壓應(yīng)該小于30V(AC)或者60V(DC)[2]。永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本身失效后，如果電機(jī)上存在轉(zhuǎn)速，則電機(jī)本身會(huì)產(chǎn)生較大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩則對(duì)車輛的穩(wěn)定運(yùn)行造成較大影響，從而存在轉(zhuǎn)矩安全問題。

目前，可控磁通永磁電機(jī)大致可分為3種：采用單一的矯頑力較低的鋁鎳鈷磁鋼實(shí)現(xiàn)電機(jī)的磁通可控[3-6];采用混合勵(lì)磁(鋁鎳鈷與釹鐵硼混合勵(lì)磁、永磁體與電勵(lì)磁混合勵(lì)磁)的方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)的磁通可控[7-10];采用機(jī)械方式改變轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)的磁通可控[11-13]。然而，采用單一的鋁鎳鈷永磁體作為轉(zhuǎn)子磁鋼，很難提高氣隙磁密，影響電機(jī)的功率密度與轉(zhuǎn)矩密度；采用混合勵(lì)磁的方式存在磁通控制電流過大等問題；采用機(jī)械方式改變轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)可靠性有一定的影響。

在新能源汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，考慮到電機(jī)控制器逆變器容量特性及電機(jī)熱負(fù)荷特性，可控磁通永磁電機(jī)磁通控制電流需要在一定范圍內(nèi)；車用電機(jī)對(duì)可靠性要求更高；車用電機(jī)的功率密度及轉(zhuǎn)矩密度也有一定的要求等問題，提出一種Halbach陣列變磁阻結(jié)構(gòu)可控磁通永磁電機(jī)，并對(duì)電機(jī)空載特性、工作狀態(tài)特性和安全特性進(jìn)行了有限元仿真。

1 Halbach陣列可控磁通電機(jī)模型

1.1 電機(jī)模型及功能

Halbach陣列變磁阻結(jié)構(gòu)可控磁通永磁電機(jī)的剖面圖如圖1所示?？煽卮磐姍C(jī)的定子與傳統(tǒng)永磁電機(jī)定子相同，繞組為雙層整數(shù)槽繞組，能夠在一定程度上減少電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)諧波、電流諧波以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[14]。轉(zhuǎn)子為內(nèi)置混合式結(jié)構(gòu)，包含釹鐵硼永磁體和鋁鎳鈷永磁體，以Halbach陣列放置。釹鐵硼對(duì)角充磁，位于每極的兩側(cè)，作為轉(zhuǎn)子的主磁通；鋁鎳鈷徑向充磁，充磁方向受d軸電流控制，位于每極的中間位置，作為轉(zhuǎn)子的磁通可控部分。

圖1 電機(jī)剖面

鋁鎳鈷磁化方向沿徑向向外時(shí)，其工作于助磁狀態(tài)，即電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，鋁鎳鈷將釹鐵硼的磁通推向定子側(cè)，此時(shí)電機(jī)主磁通最強(qiáng)，具有良好的驅(qū)動(dòng)特性。鋁鎳鈷磁化方向沿徑向向內(nèi)時(shí)，其工作于去磁狀態(tài)，即電機(jī)安全狀態(tài)，鋁鎳鈷將釹鐵硼的磁通在轉(zhuǎn)子內(nèi)路短路，此時(shí)電機(jī)氣隙磁密最弱，可以采用低速開路、高速短路的方式保證車輛系統(tǒng)的安全性能。

1.2 變磁阻特性

充分利用隔磁結(jié)構(gòu)使電機(jī)轉(zhuǎn)子在不同工作狀態(tài)呈現(xiàn)不同的磁阻特性。隔磁結(jié)構(gòu)包含兩部分：一部分位于釹鐵硼上部，另一部分位于鋁鎳鈷下部。電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，處于釹鐵硼上部的隔磁結(jié)構(gòu)雖然增加釹鐵硼磁通進(jìn)入定子的磁阻，但鋁鎳鈷仍能將對(duì)角充磁的釹鐵硼磁通導(dǎo)入定子中，該隔磁結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力影響不大。電機(jī)安全狀態(tài)時(shí)，處于釹鐵硼上部的隔磁結(jié)構(gòu)增加釹鐵硼磁通進(jìn)入定子的磁阻，能使釹鐵硼磁通幾乎完全被鋁鎳鈷在轉(zhuǎn)子內(nèi)部短路，電機(jī)的安全性能好；雖然處于鋁鎳鈷下部的隔磁結(jié)構(gòu)增加鋁鎳鈷去磁磁路的磁阻，但通過合理設(shè)計(jì)，仍能保證鋁鎳鈷的去磁能力，保證電機(jī)的安全性能。電機(jī)由驅(qū)動(dòng)狀態(tài)向安全狀態(tài)磁通控制時(shí)，釹鐵硼上部的隔磁結(jié)構(gòu)增加定子與釹鐵硼之間的磁阻，使定子d軸電流產(chǎn)生的磁通幾乎完全加載到鋁鎳鈷上，有利于鋁鎳鈷由助磁狀態(tài)向去磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換；雖然處于鋁鎳鈷下部的隔磁結(jié)構(gòu)增加鋁鎳鈷去磁磁路的磁阻，但通過合理設(shè)計(jì)，對(duì)此時(shí)磁通控制影響很小。電機(jī)由安全狀態(tài)向驅(qū)動(dòng)狀態(tài)磁通控制時(shí)，釹鐵硼上部的隔磁結(jié)構(gòu)增加定子與釹鐵硼之間的磁阻，使定子d軸電流產(chǎn)生的磁通大部分加載到鋁鎳鈷上，有利于鋁鎳鈷磁通控制；處于鋁鎳鈷下部的隔磁結(jié)構(gòu)增加鋁鎳鈷去磁磁路的磁阻，有利于鋁鎳鈷磁通由去磁狀態(tài)向助磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

1.3 電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

Halbach陣列變磁阻結(jié)構(gòu)可控磁通永磁電機(jī)采用Id=0控制策略，負(fù)載電流即為q軸電流Iq，對(duì)處于3段式Halbach陣列中間位置的鋁鎳鈷永磁體幾乎無影響，保證電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通的穩(wěn)定。不管電機(jī)處于工作狀態(tài)或者安全狀態(tài)，處于釹鐵硼上部的隔磁結(jié)構(gòu)能將對(duì)角充磁的釹鐵硼磁通導(dǎo)入到鋁鎳鈷中，這樣釹鐵硼的絕大部分磁通是通過鋁鎳鈷進(jìn)入定子或者在轉(zhuǎn)子內(nèi)短路，釹鐵硼的磁通對(duì)鋁鎳鈷的穩(wěn)定起到一種“保護(hù)”效果，釹鐵硼本身就對(duì)鋁鎳鈷的磁通起到穩(wěn)磁作用，鋁鎳鈷永磁體不需要做其他的穩(wěn)磁處理。釹鐵硼的磁通對(duì)磁通控制，特別是鋁鎳鈷去磁狀態(tài)向助磁狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，其“阻礙作用”很小，并且在磁通控制時(shí)，一旦鋁鎳鈷的磁通方向發(fā)生改變，釹鐵硼磁通會(huì)通過鋁鎳鈷，對(duì)磁通控制起“幫助”作用。釹鐵硼上部存在隔磁結(jié)構(gòu)，而且鋁鎳鈷的磁特性較弱，鋁鎳鈷能對(duì)釹鐵硼的退磁起保護(hù)作用，這種結(jié)構(gòu)方式的釹鐵硼永磁體更不容易發(fā)生退磁。

2 可控磁通電機(jī)電磁分析與仿真

針對(duì)新能源車用電機(jī)的要求，主要對(duì)電機(jī)空載特性、驅(qū)動(dòng)特性和安全特性進(jìn)行電磁分析與仿真。

2.1 電機(jī)空載分析

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下，鋁鎳鈷正向充磁工作于助磁狀態(tài)時(shí)，在有限元軟件中進(jìn)行仿真?？蛰d時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下，電機(jī)氣隙磁密如圖2所示。

圖2 鋁鎳鈷助磁時(shí)空載氣隙磁密分布

由圖2可知，電機(jī)最高氣隙磁密為750mT，表明電機(jī)有較好的驅(qū)動(dòng)能力。

助磁狀態(tài)下，對(duì)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行傅立葉分析可知,電機(jī)空載時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)諧波分量的階次很高，根據(jù)電機(jī)的斜槽系數(shù)為[15]：

(1)

v為諧波次數(shù);c為導(dǎo)體斜過的距離;τ為極距。采用一個(gè)極距的斜槽就能很好的消除電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)里的高次諧波，而對(duì)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)基波分量影響很小。

電機(jī)安全狀態(tài)，鋁鎳鈷反向充磁工作于去磁狀態(tài)時(shí)，在有限元軟件中進(jìn)行仿真?？蛰d時(shí)電機(jī)安全狀態(tài)下，電機(jī)氣隙磁密分布如圖3所示。

圖3 鋁鎳鈷去磁時(shí)空載氣隙磁密分布

由圖3可知，電機(jī)最高氣隙磁密為230mT，弱磁比為3.3，從而達(dá)到磁通可控的目的。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性與安全特性分析

根據(jù)電機(jī)特性及逆變器特性，選擇電機(jī)最高工作電流密度為13A/mm2，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，采用Id=0控制滿載工況進(jìn)行仿真，電機(jī)三相電流如圖4所示。

圖4 電機(jī)滿載狀態(tài)下的三相電流

由于電機(jī)采用了一個(gè)極距的斜槽，而電機(jī)控制策略采用Id=0控制，處于電機(jī)軸向邊緣處的轉(zhuǎn)子由于受到斜槽的影響，鋁鎳鈷材料會(huì)受到一定負(fù)向d軸電流的影響。圖5表明電機(jī)即使采用斜槽，仍然存在一定的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但其幅值相對(duì)較小，能滿足車用要求。

圖5 滿載下電機(jī)轉(zhuǎn)矩

電機(jī)安全狀態(tài)下，可以采用低速開路、高速短路的方式保證車輛系統(tǒng)的安全性能。在有限元軟件對(duì)電機(jī)安全狀態(tài)的短路過程進(jìn)行仿真。電機(jī)在磁通控制時(shí)，由于電感存在，還剩余一定的負(fù)向d軸電流，在電機(jī)安全狀態(tài)下，對(duì)d軸負(fù)向電流最大的情況，Id=-340A、Iq=0進(jìn)行短路仿真，結(jié)果如圖6～圖8所示。

由圖6可知，電機(jī)短路穩(wěn)態(tài)的A,B,C三相電流較小，接近0值。由圖7可知，電機(jī)短路穩(wěn)態(tài)等效q軸電流接近0值，等效d軸負(fù)向電流較小。由圖8可知，進(jìn)入短路穩(wěn)態(tài)過程中，電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也較小，短路穩(wěn)態(tài)后電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩接近0值。因此,電機(jī)的安全性能很好，滿足車用的安全需求?？傊?，由圖6～圖8可知，安全狀態(tài)下電機(jī)迅速進(jìn)入短路穩(wěn)態(tài)過程。

圖6 安全狀態(tài)下短路后相電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程

圖7 安全狀態(tài)下短路后Id,Iq電流變化過程

圖8 安全狀態(tài)下短路后制動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程

3 結(jié)束語(yǔ)

分析了不同種類可控磁通電機(jī)的特點(diǎn)，基于Halbach陣列變磁阻結(jié)構(gòu)，提出一種可控磁通永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)電機(jī)的特性及優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并對(duì)電機(jī)的空載特性、工作狀態(tài)特性和安全特性進(jìn)行了有限元仿真和分析。仿真結(jié)果表明，可控磁通永磁電機(jī)的上述特性都能夠滿足車用要求。然而，采用Id=0控制，沒有考慮效率最優(yōu)問題，值得進(jìn)一步深入研究。

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Electromagnetic Analysis of Controllable-flux Motor Based on Halbach Array for Vehicles

ZHOUYang1，WANGXinjian2，HUANGJia2

(1.Shanghai Volkswagen Co.,Ltd.，Shanghai 201805,China；2.School of Automotive Studies,Tongji University，
Shanghai 201804,China)

Taking electrical safety and torque security into account,a controllable-flux permanent magnet motor with variable reluctance structure in the form of Halbach array is proposed. And finite element simulations about no-load characteristics,work status characteristics and safety characteristics are carried out.Simulation results show that the motor can meet the needs of the vehicle and ensure electrical safety and torque security.

Halbach array;variable reluctance structure;controllable-flux;permanent magnet motor

2014-04-21

TM351

A

1001-2257(2014)08-0007-04

周洋(1979-)，男，遼寧錦州人，碩士，研究方向?yàn)樾履茉雌噭?dòng)力總成設(shè)計(jì)及試驗(yàn);王心堅(jiān)(1972-)，男，湖北武漢人，博士，講師，研究方向?yàn)樾履茉雌噭?dòng)力系統(tǒng)匹配優(yōu)化及電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化；黃佳(1990-)，男，江蘇宿遷人，碩士研究生，研究方向?yàn)檐囉糜来磐诫姍C(jī)電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。