不同極槽配合電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)弱磁性能及抗飽和能力研究

黃 磊, 彭 兵

(沈陽工業(yè)大學(xué),沈陽 110870)

0 引 言

化石燃料的消耗是大氣污染的一個(gè)重要來源，發(fā)展尾氣低排放、零排放的新能源汽車迫在眉睫，這給傳統(tǒng)汽車行業(yè)帶來新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)[1-2]。世界各大汽車廠商都開始進(jìn)行電動(dòng)汽車相關(guān)技術(shù)的研究與開發(fā)工作，電動(dòng)汽車用內(nèi)置永磁同步電機(jī)以其功率密度大、轉(zhuǎn)矩密度高、效率高、耐退磁性能好和較高的穩(wěn)定及抗干擾能力，成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)和研究熱點(diǎn)[3]。

電動(dòng)汽車內(nèi)置永磁同步電機(jī)面臨的一個(gè)重要問題是弱磁調(diào)速對運(yùn)行性能的影響。文獻(xiàn)[4]以一臺(tái)8極12槽內(nèi)置永磁同步電機(jī)為例，指出電樞反應(yīng)磁通會(huì)增強(qiáng)齒尖和永磁體附近轉(zhuǎn)子區(qū)域的局部磁飽和，使得磁鏈發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致電壓畸變，大大降低弱磁運(yùn)行區(qū)域并降低平均轉(zhuǎn)矩，增大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[5]研究了轉(zhuǎn)子斜極、定子齒結(jié)構(gòu)優(yōu)化等幾種諧波抑制方法對分?jǐn)?shù)槽內(nèi)置永磁電機(jī)端電壓畸變抑制的效果，研究發(fā)現(xiàn)，通過對磁導(dǎo)率和磁通路徑的修正，電機(jī)的局部磁飽和程度會(huì)降低，提高了電機(jī)弱磁工作區(qū)域。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種具有變磁阻勵(lì)磁回路的永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子內(nèi)永磁體的位置隨著轉(zhuǎn)速的提高而發(fā)生變化，進(jìn)而改變磁通，實(shí)現(xiàn)高速弱磁，但是由于永磁體不固定，電機(jī)的制造工藝會(huì)變高。文獻(xiàn)[7]提出將磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和表貼式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法，通過調(diào)整兩段轉(zhuǎn)子的長度和相對位置，實(shí)現(xiàn)弱磁擴(kuò)速的目的。文獻(xiàn)[8]對內(nèi)置V型磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，指出增加相鄰磁極間距可以提高弱磁能力，但是缺點(diǎn)是會(huì)增加氣隙磁密諧波和反電勢諧波。綜上所述，在解決電機(jī)弱磁問題方面，雖然方法很多，但在極槽配合對弱磁能力的影響較少有文獻(xiàn)涉及。

本文主要對不同極槽配合內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的弱磁能力和抗飽和能力進(jìn)行研究，采用有限元方法分析不同極槽配合電機(jī)在弱磁工況的反電動(dòng)勢、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電感參數(shù)。

1 不同極槽配合電機(jī)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)極數(shù)均為8極，槽數(shù)分別為18槽、36槽和48槽，三種電機(jī)的設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)如表1所示。三種電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，所有被研究的電機(jī)的主要尺寸相同，如定子外徑、定子內(nèi)徑、氣隙長度、鐵心長度。為了獲得相同的空載反電勢，不同電機(jī)的每槽導(dǎo)體數(shù)作相應(yīng)調(diào)整。三臺(tái)電機(jī)的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

表1 三種電機(jī)的設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

表2 研究樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 三種極槽配合的電機(jī)模型

2 極槽配合對空載性能分析

2.1 極槽配合對空載反電勢的影響

利用Ansys-Maxwell軟件分別建立8極18槽、8極36槽和8極48槽內(nèi)置永磁同步電機(jī)的二維有限元模型，仿真分析得出空載反電勢波形和頻譜圖如圖2、圖3所示，大小分別為146 V、141 V、140 V。為了反映空載反電勢的正弦度，對不同電機(jī)反電勢的總諧波失真率(THD)進(jìn)行了研究，定義為：

(1)

式中，U1為反電勢基波分量有效值；Un為反電勢諧波分量有效值。三臺(tái)電機(jī)的空載反電勢總諧波失真率計(jì)算結(jié)果如表3所示, 三臺(tái)電機(jī)的空載反電勢波形接近正弦波，總諧波失真率較低。

圖2 不同極槽配合電機(jī)空載反電勢波形

圖3 不同極槽配合電機(jī)空載反電勢頻譜圖

表3 不同極槽配合電機(jī)的空載反電勢總諧波失真率

2.2 極槽配合對齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響

三臺(tái)電機(jī)空載條件下的齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖4所示，三臺(tái)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值分別為0.047 Nm、 0.045 Nm、0.274 Nm。分?jǐn)?shù)槽電機(jī)相比于整數(shù)槽電機(jī)對齒槽轉(zhuǎn)矩有削弱作用。

圖4 不同極槽配合電機(jī)的空載齒槽轉(zhuǎn)矩波形

3 極槽配合對高速弱磁性能影響分析

3.1 極槽配合對弱磁工況反電勢的影響

弱磁工況的反電動(dòng)勢僅為負(fù)載時(shí)永磁體磁場感應(yīng)電壓。圖5和圖6計(jì)算并比較了轉(zhuǎn)速為8000 r/min，最大功率18kW高速弱磁條件下不同電機(jī)的反電勢波形和反電勢諧波頻譜圖。由于所有被測電機(jī)的匝數(shù)都經(jīng)過調(diào)整以獲得相同額定轉(zhuǎn)速下的空載反電勢，高速弱磁條件下的反電動(dòng)勢與空載反電勢的差值可以反映高速弱磁條件下磁飽和的影響。反電勢總諧波失真率的計(jì)算結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?，在轉(zhuǎn)速為8000 r/min，功率為18 kW的條件下，三臺(tái)電機(jī)的反電勢明顯失真。這有兩個(gè)原因。首先，永磁漏磁通和電樞反應(yīng)漏磁通共享齒尖，在高速弱磁條件下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，所加的電流增大，永磁漏磁通和電樞反應(yīng)漏磁通會(huì)升高，加劇了齒尖的磁飽和。其次，齒尖上增加的磁飽和會(huì)導(dǎo)致更大的磁鏈波動(dòng)，最終降低基波反電動(dòng)勢。在不同極槽配合電機(jī)中，整數(shù)槽電機(jī)比分?jǐn)?shù)槽電機(jī)有更高的反電動(dòng)勢失真。

圖5 不同電機(jī)反電勢波形(P=18 kW,n=8000 r/min)

圖6 不同極槽電機(jī)反電勢頻譜圖(P=18kW,n=8000 r/min)

表4 不同極槽配合電機(jī)的總諧波失真率(P=18kW)

3.2 極槽配合對轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響

當(dāng)電動(dòng)汽車內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在基速以上時(shí)，由于逆變器電壓的限制，需利用去磁d軸電樞反應(yīng)使得輸出電壓滿足最大限制要求，此時(shí)電機(jī)進(jìn)入弱磁運(yùn)行區(qū)。在高速弱磁工況下，不同極槽配合電機(jī)在功率為18 kW最高轉(zhuǎn)速為8000 r/min條件下的磁密云圖如圖7所示。從圖7中可以看到，磁飽和主要發(fā)生在定子齒尖部分。當(dāng)進(jìn)行恒功率弱磁調(diào)速時(shí)，為了維持高速運(yùn)行時(shí)電壓的平衡，直軸去磁電流id增加，產(chǎn)生的磁動(dòng)勢去磁作用增強(qiáng)，削弱了永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場，雖然使得電機(jī)的定子齒和定子軛部分的磁飽和程度降低；但是由于永磁體磁場與電樞磁場的相互作用，電機(jī)齒尖部分依然會(huì)出現(xiàn)不對稱的局部磁飽和。

圖7 高速弱磁工況三種極槽配合電機(jī)的磁密云圖

在高速弱磁工況下，不同極槽配合電機(jī)功率為18 kW最高轉(zhuǎn)速為8000 r/min條件下的輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖8所示。18槽、36槽、48槽電機(jī)轉(zhuǎn)矩分別為21.53 Nm 、21.91 Nm 、21.21 Nm，在不同電機(jī)的比較中，18槽電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)受齒尖磁飽和的影響最低為19.13%；36槽電機(jī)為24.46%，48槽電機(jī)為32.02%。說明分?jǐn)?shù)槽電機(jī)相比于整數(shù)槽電機(jī)能夠更好的削弱局部磁飽和對轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響。

圖8 高速弱磁工況不同極槽配合電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩

三種極槽配合電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線如圖9所示?？梢钥吹?6槽和48槽電機(jī)比18槽電機(jī)有更大的弱磁運(yùn)行區(qū)域，但是18槽電機(jī)在高速弱磁工況下的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最低，為了保證電動(dòng)汽車內(nèi)置永磁同步電機(jī)在額定工況和高速弱磁工況都有良好的工作性能，綜合考慮18槽電機(jī)為最佳的極槽配比。

圖9 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性比較(U=220 V,I=85 A)

4 不同極槽配合電機(jī)電感參數(shù)的變化

對三臺(tái)電機(jī)的電樞繞組施加不同的id和iq, 得到不同工況下的交直軸電感參數(shù)，如圖10、圖11、圖12所示。在18槽電機(jī)中，Ld、Lq均會(huì)受到id、iq的影響。當(dāng)iq較小時(shí)，隨著去磁電流id的增加，Ld會(huì)明顯升高，而當(dāng)iq增大到一定值時(shí)，Ld不再隨著id的升高而明顯增加。整體上看，Ld、Lq都會(huì)隨著iq的增加而降低，Lq受iq增加下降明顯。相同的情況也可以從圖11、圖12中看到。

圖10 18槽電機(jī)電感參數(shù)

圖11 36槽電機(jī)電感參數(shù)

圖12 48槽電機(jī)電感參數(shù)

5 結(jié) 論

本文對不同極槽組合的內(nèi)置永磁同步電機(jī)高速弱磁條件下的反電動(dòng)勢、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)情況

進(jìn)行了分析比較。仿真結(jié)果表明,高速弱磁條件下整數(shù)槽和分?jǐn)?shù)槽內(nèi)置永磁同步電機(jī)中都存在齒尖磁飽和現(xiàn)象，對電機(jī)性能影響很大。與分?jǐn)?shù)槽電機(jī)相比，整數(shù)槽電機(jī)在反電勢方面諧波較高，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。在弱磁擴(kuò)速方面， 36槽和48槽的弱磁運(yùn)行區(qū)域更大，但是整體上看，18槽電機(jī)有更低的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，受d、q軸電流的影響，Ld和Lq不再是常數(shù)，并且隨著q軸電流的變大而降低。