應(yīng)用于新能源電動(dòng)汽車的永磁輔助同步磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)*

張　健，　吳友華，　姚丙雷，　陳偉華，　竇　娜

(1. 北京新能源汽車股份有限公司，北京　102606；

2. 國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京　100095；

3. 浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江 杭州　311268；

4. 上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海　200063；)

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應(yīng)用于新能源電動(dòng)汽車的永磁輔助同步磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)*

張健1，吳友華3，姚丙雷4，陳偉華4，竇娜2

(1. 北京新能源汽車股份有限公司，北京102606；

2. 國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100095；

3. 浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江 杭州311268；

4. 上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海200063；)

摘要：以一款商業(yè)化的電機(jī)為基準(zhǔn)，以基于有限元法的遺傳算法為優(yōu)化設(shè)計(jì)工具，并使用結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元校核設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子內(nèi)薄弱區(qū)域結(jié)構(gòu)，最終優(yōu)化設(shè)計(jì)得到一款各方面性能均優(yōu)異的永磁輔助同步磁阻電機(jī)。通過(guò)對(duì)比新設(shè)計(jì)電機(jī)與基準(zhǔn)電機(jī)的效率云圖和運(yùn)行特性曲線，證實(shí)了新電機(jī)是一款可以直接替代基準(zhǔn)電機(jī)應(yīng)用的極具競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞:效率云圖； 磁場(chǎng)有限元； 機(jī)械強(qiáng)度； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 永磁輔助同步磁阻電機(jī)

0引言

隨著化石燃料逐漸枯竭以及使用化石燃料所帶來(lái)的溫室氣體排放，以及霧霾天氣也被指與過(guò)度使用化石燃料有關(guān)，因此節(jié)能減排漸成為各國(guó)政府與各大企業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)?，F(xiàn)階段，以汽車為首的交通工具所消耗的能源占據(jù)了總能源消耗的很大比例，以美國(guó)為例，全社會(huì)全年能源的28%被交通工具消耗[1]。若要減小對(duì)化石燃料依賴，推廣各類電動(dòng)汽車是一個(gè)重要解決方案[2-5]。廣義的電動(dòng)汽車包括混合動(dòng)力汽車(混動(dòng)，HEV)、插電式混合動(dòng)力汽車(插電混動(dòng),PHEV).電池供電純電動(dòng)汽車(純電動(dòng)，BEV)等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源之一的汽車[4]。

作為電動(dòng)汽車核心部件的電機(jī)占有舉足輕重的地位，須滿足如下要求[6]： 高轉(zhuǎn)矩密度和高功率密度；在起動(dòng)、低速和爬坡時(shí)高轉(zhuǎn)矩，高速巡航時(shí)有高功率；寬調(diào)速范圍，短時(shí)過(guò)載能力強(qiáng)；寬轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)具有較高的效率；高可靠性，高安全系數(shù)；造價(jià)合理。目前各類電動(dòng)汽車用電機(jī)的主要類型有永磁同步電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等[6-7]。永磁電機(jī)以內(nèi)置永磁式較為常見(jiàn)[2-6]，以豐田PRIUS為代表[8-12]，該種電機(jī)具有高效率和高功率密度等優(yōu)點(diǎn)。感應(yīng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造工藝成熟、機(jī)械強(qiáng)度好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在美國(guó)豪華車品牌Tesla中被使用[2-9]，但感應(yīng)電機(jī)也有著綜合效率低、轉(zhuǎn)矩密度低等不可忽視的不足。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、可靠性好及控制簡(jiǎn)單，特別適合高速、高溫等場(chǎng)合使用，但其固有的高轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、低功率密度和低功率因數(shù)等不足也限制了其應(yīng)用[2]。永磁輔助同步磁阻電機(jī)(簡(jiǎn)稱PMa電機(jī))是一種極具潛力的電機(jī)，但目前還沒(méi)有被大規(guī)模應(yīng)用。PMa電機(jī)，是指輔以磁鋼來(lái)提高性能的磁阻同步電機(jī)，所輸出的轉(zhuǎn)矩不僅包括永磁轉(zhuǎn)矩，也包括較大比例的因磁路不對(duì)稱引起的磁阻轉(zhuǎn)矩，通過(guò)精心設(shè)計(jì)，此種電機(jī)有可能兼具內(nèi)置永磁電機(jī)和磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)[13-23]。輔助永磁可以采用成本低廉的鐵氧體以獲得良好的性價(jià)比，也可采用性能較好的稀土永磁材料而得到更好的性能。本文將試圖以豐田PRIUS 2010電機(jī)(下稱基準(zhǔn)電機(jī))為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一款新電機(jī)，使用與其相同的定子外圓和磁鋼用量，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子上磁障的大小、層數(shù)、排列組合方式，具有比基準(zhǔn)電機(jī)更好的電磁性能、相當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度。

1基準(zhǔn)電機(jī)分析及有限元驗(yàn)證

作為研究參照，本文以PRIUS 2010主驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為基準(zhǔn)電機(jī)進(jìn)行了分析。該電機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

圖1所示的是基準(zhǔn)電機(jī)一個(gè)極的截面圖。對(duì)該電機(jī)進(jìn)行有限元建模，并進(jìn)行了空載、負(fù)載和效率云圖等多項(xiàng)目的分析。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)該電機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的拆解和分析，并出版了正式報(bào)告[12]。本文將有限元分析結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證計(jì)算方法的正確性，并以此有限元計(jì)算方法為工具進(jìn)行新結(jié)構(gòu)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表1　基準(zhǔn)電機(jī)參數(shù)

圖1　基準(zhǔn)電機(jī)截面圖

1.1堵轉(zhuǎn)條件下轉(zhuǎn)矩分析

為了測(cè)試電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力，文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)測(cè)試了基準(zhǔn)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，其測(cè)試臺(tái)架如圖2所示。獲得了基準(zhǔn)電機(jī)在不同電樞電流下的一系列轉(zhuǎn)矩-位置曲線。

圖2　測(cè)試臺(tái)架[12]

本文使用有限元法對(duì)該測(cè)試過(guò)程進(jìn)行了仿真，得到了與測(cè)試結(jié)果相對(duì)應(yīng)的一系列轉(zhuǎn)矩-電流角特性曲線，計(jì)算與測(cè)試對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

在圖3圖例中，T表示測(cè)試結(jié)果，S表示仿真結(jié)果?？梢钥闯?，當(dāng)定子電流小于150A時(shí)，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度非常好。當(dāng)電樞電流為250A時(shí)，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果部分吻合較好，部分出現(xiàn)較大偏差?？傮w上計(jì)算與測(cè)試結(jié)果基本一致，證明了計(jì)算模型及有關(guān)參數(shù)的選擇、計(jì)算方法是可靠可信的。

圖3　靜態(tài)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)子位置關(guān)系試驗(yàn)與仿真對(duì)比

1.2效率云圖

驅(qū)動(dòng)電機(jī)與普通工業(yè)用途電機(jī)不同，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩隨車速和路況的變化而變化，即電機(jī)可能運(yùn)行的工況是一系列寬范圍的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩組合。不同的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的組合，其運(yùn)行效率也是不同的。為了準(zhǔn)確地反映電機(jī)的效率特性，需要使用效率云圖來(lái)進(jìn)行描述。測(cè)試與仿真結(jié)果如圖4所示。圖4(a)是由美國(guó)橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室實(shí)際測(cè)試得到的，圖4(b)由計(jì)算仿真得到。對(duì)比測(cè)試和計(jì)算得到的效率云圖發(fā)現(xiàn)，兩者具有很好的吻合度。對(duì)比發(fā)現(xiàn)在低速、低轉(zhuǎn)矩區(qū)域有較大差異，這可能是由電機(jī)鐵耗模型、機(jī)械損耗的處理、電機(jī)控制方案與仿真使用方案偏差等引起?？傮w上，仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果是非常接近的，可以認(rèn)為仿真方法能夠較好地體現(xiàn)電機(jī)的實(shí)際情況。后續(xù)分析均使用與此相同的方法，故認(rèn)為后續(xù)的分析結(jié)果也是可靠的。

圖4　基準(zhǔn)電機(jī)效率云圖

2PMa電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及假定條件

本文將依照基準(zhǔn)電機(jī)的外部參數(shù)設(shè)計(jì)一款PMa電機(jī)，圖5所示的即是一款三層磁障的PMa電機(jī)。此處優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是基準(zhǔn)電機(jī)，新設(shè)計(jì)電機(jī)在如下方面與基準(zhǔn)電機(jī)保持一致：

圖5　參數(shù)化建模及優(yōu)化結(jié)果

(1) 定子外圓、定子槽面積、定子繞組參數(shù)；

(2) 磁鋼使用量；

(3) 氣隙長(zhǎng)度、電機(jī)軸向長(zhǎng)度。

使用上述條件，保證了新設(shè)計(jì)電機(jī)與基準(zhǔn)電機(jī)在性能、材料費(fèi)用上具有較高的可比性，方便對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估。

在保證上述參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可進(jìn)行很大程度上的自由變動(dòng)，主要體現(xiàn)在以下方面：

(1) 氣隙半徑長(zhǎng)度；

(2) 在保證平行齒條件下的定子槽寬，槽深由槽面積和槽寬決定；

(3) 磁鋼的厚度、各磁鋼的寬度，各層磁鋼間的厚度；

(4) 徑向磁障厚度、傾角，各層磁障間的厚度；

(5) 最內(nèi)層磁鋼與軸間的距離，以及由此決定的軸的半徑。

為保證良好的可對(duì)比性，在初步優(yōu)化階段只改變轉(zhuǎn)子內(nèi)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，故以最大轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)，將上述(3)~(5)所列得的共7個(gè)參數(shù)設(shè)定為粗略的范圍，使用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)遺傳算法計(jì)算過(guò)程平穩(wěn)后，即得到較為優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，如圖5(b)所示。

2.2優(yōu)化結(jié)果及局部結(jié)構(gòu)調(diào)整

2.2.1磁障層數(shù)的確定

磁障的層數(shù)可有很多層，本文首先優(yōu)化了3層磁障結(jié)構(gòu)，以此為基礎(chǔ)研究1層、2層和4層結(jié)構(gòu)時(shí)的電機(jī)性能。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線如圖6所示。

圖6　不同磁障層數(shù)時(shí)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線

由圖6可以看出，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，新結(jié)構(gòu)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩均可大于基準(zhǔn)電機(jī)。當(dāng)磁障層數(shù)為2層或3層時(shí)，兩者的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線幾乎完全重合，由此可以認(rèn)為當(dāng)前的基本尺寸約束下磁障層數(shù)大于2時(shí)已經(jīng)無(wú)法大幅提升電機(jī)性能。磁障層數(shù)愈多，加工工藝性愈差，兼顧電機(jī)性能和結(jié)構(gòu)工藝性要求，可認(rèn)為2層磁障是較為合理的布置，后續(xù)分析均以此結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。

2.2.2氣隙半徑的確定

得到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案后，考慮氣隙半徑及定子槽型的變化進(jìn)行第2步優(yōu)化。第2步優(yōu)化時(shí)以第1步優(yōu)化為基礎(chǔ)，即設(shè)定轉(zhuǎn)子上結(jié)構(gòu)參數(shù)變化范圍時(shí)參照第1步優(yōu)化得到的結(jié)果，設(shè)定一個(gè)較小的變化范圍以提高優(yōu)化速度。將上述(3)~(5)所列得的共7個(gè)參數(shù)設(shè)定為粗略的范圍，使用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。需要說(shuō)明的是，事實(shí)上可以只進(jìn)行第2步優(yōu)化，設(shè)置較寬的各結(jié)構(gòu)參數(shù)可變化范圍進(jìn)行優(yōu)化，但這需要大量的計(jì)算時(shí)間。通過(guò)第2步優(yōu)化得到氣隙直徑φ約為180mm，與第1步優(yōu)化(φ固定為161mm)結(jié)果對(duì)比如圖7所示。此二種結(jié)構(gòu)在定子繞組和永磁用量等關(guān)鍵參數(shù)相同的情況下，對(duì)比轉(zhuǎn)矩輸出能力如圖7所示。由圖7中可以看出，通過(guò)優(yōu)化氣隙半徑，使得電機(jī)的負(fù)載能力提升了4%。故而可以認(rèn)為新得到的電機(jī)結(jié)構(gòu)可以作為一個(gè)較優(yōu)的備選方案進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度校核計(jì)算，以期得到一款可應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的電機(jī)結(jié)構(gòu)。

圖7　不同氣隙半徑條件下轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線

3機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)微調(diào)

3.1基準(zhǔn)電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度分析

基準(zhǔn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)13500r/min，強(qiáng)大的離心力有可能破壞轉(zhuǎn)子上較為薄弱的磁橋等區(qū)域。新設(shè)計(jì)的電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度需以基準(zhǔn)電機(jī)為參照，保證薄弱區(qū)域的最大應(yīng)力不大于基準(zhǔn)電機(jī)的薄弱區(qū)域的應(yīng)力值。

使用Ansys軟件計(jì)算得到基準(zhǔn)電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子上應(yīng)力分析如圖8所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在磁極中心的隔磁橋上，其最大值為249MPa。

圖8　基準(zhǔn)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度分析

3.2新電機(jī)分析

由圖5(b)可知，在此結(jié)構(gòu)下徑向磁障與切向磁障間，以及切向磁障中間均非常薄弱，需合理設(shè)置磁橋以保障結(jié)構(gòu)安全。在磁障兩端亦需做圓角處理以防止應(yīng)力集中，同時(shí)需綜合考慮圓角后漏磁場(chǎng)的增加可能對(duì)電機(jī)性能造成的影響。通過(guò)逐步調(diào)整各磁橋的形狀及圓角尺寸，該新電機(jī)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖9所示。

采用與3.1節(jié)相同的假定條件進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度校核設(shè)計(jì)，調(diào)整仿真時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速使得轉(zhuǎn)子上最大應(yīng)力≤249MPa，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速為12530r/min，約為基準(zhǔn)電機(jī)的93%。此時(shí)轉(zhuǎn)子內(nèi)的應(yīng)力分布如圖10所示。由圖10可以看出，轉(zhuǎn)子上最為薄弱區(qū)域位于切向磁障的中心隔磁橋。

圖9　改進(jìn)結(jié)構(gòu)的PMa電機(jī)

圖10　PMa電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度分析

4新電機(jī)電磁性能與基準(zhǔn)電機(jī)對(duì)比

參照1.2節(jié)中計(jì)算基準(zhǔn)電機(jī)效率云圖使用的電壓、電流、定子電阻與端部電感等參數(shù)，計(jì)算得到新設(shè)計(jì)電機(jī)的效率云圖如圖11(a)所示。與圖4(b)所示的基準(zhǔn)電機(jī)效率云圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，新設(shè)計(jì)PMa電機(jī)的效率高于95%的運(yùn)行區(qū)間比基準(zhǔn)電機(jī)的區(qū)間更大，是因?yàn)榇配摰淖饔冒l(fā)揮更充分；但在高速區(qū)域的效率均低于基準(zhǔn)電機(jī)，是因?yàn)樵诟咚賲^(qū)域時(shí)需要更多的弱磁電流，銅耗增加，導(dǎo)致效率降低較為明顯。由此可以看出在設(shè)計(jì)有弱磁需求的電機(jī)時(shí)，要協(xié)調(diào)考慮高效與弱磁后效率變差的問(wèn)題。

圖11(b)所示的是PMa電機(jī)和基準(zhǔn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速功率曲線對(duì)比。從圖11(b)可以看出，新設(shè)計(jì)PMa電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與基準(zhǔn)電機(jī)相比高出了7.5%，且基速也略高于基準(zhǔn)電機(jī)，故其最大功率明顯高于基準(zhǔn)電機(jī)，約15.15%。若使用基準(zhǔn)電機(jī)所配的傳動(dòng)系統(tǒng)，則新設(shè)計(jì)PMa電機(jī)動(dòng)力更為充沛，可以提供更好的低速加速效果。新設(shè)計(jì)PMa電機(jī)在高速區(qū)時(shí)需要更多的弱磁電流，故其在最高轉(zhuǎn)速時(shí)的最大輸出轉(zhuǎn)矩比基準(zhǔn)電機(jī)低了4%。結(jié)合3節(jié)機(jī)械強(qiáng)度分析可知，為獲得與基準(zhǔn)電機(jī)相同的安全系數(shù)，新設(shè)計(jì)PMa電機(jī)的最高運(yùn)行速度需要降低7%。

圖11　PMa電機(jī)運(yùn)行特性

5結(jié)語(yǔ)

本文以豐田PRIUS驅(qū)動(dòng)電機(jī)為基準(zhǔn)電機(jī)，以完全替代基準(zhǔn)電機(jī)為目的，全新設(shè)計(jì)了一款新結(jié)構(gòu)PMa電機(jī)。在保持熱負(fù)荷不變、磁鋼用量相同的前提下，通過(guò)對(duì)氣隙半徑、轉(zhuǎn)子內(nèi)磁障層數(shù)、轉(zhuǎn)子上其他組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了轉(zhuǎn)矩密度更大、功率密度更高的設(shè)計(jì)目的?？紤]到高速運(yùn)行時(shí)的安全需要，校核分析了基準(zhǔn)電機(jī)在全速時(shí)的應(yīng)力分布，并研究了PMa電機(jī)在保證相同安全系數(shù)前提下可以達(dá)到的最高速度。針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)比研究了PMa電機(jī)與基準(zhǔn)電機(jī)的效率云圖，指出了電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮發(fā)揮磁鋼作用與弱磁作用時(shí)效率變差的問(wèn)題?？偟膩?lái)說(shuō)，本文設(shè)計(jì)的PMa電機(jī)，在不增加材料費(fèi)用、不改變外部散熱條件和驅(qū)動(dòng)裝置的條件下，幾乎可以完全替代基準(zhǔn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)相同的驅(qū)動(dòng)能力。

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A PM-assisted Synchronous Reluctance Machine Design for

New Energy Electric Vehicle Application

ZHANGJian1，WUYouhua3，YAOBinglei4,CHENWeihua4，DOUNa2

(1. Beijing Electric Vehicle Co., Ltd., Beijing 102606, China;

2. State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100095,China；

3. Zhejiang GEELY Automobile Research Institute Co.,Ltd., Hangzhou 311228, China;

4. Shanghai Electrical Apparatus Research Institute(Group) Co.，Ltd., Shanghai 200063, China)

Abstract：A commercial machine as the benchmark was took, used the tool of optimization design method involving genetic algorithm based on finite element method, meanwhile, applying the mechanical finite element analysis to check out the breakpoint of the rotor topology. Finally, obtained a PMa SynRM machine with great performance. By comparing the efficiency maps and operating characteristics of the new designed PMa machine and the benchmark, it’s confirmed that the new machine was a competitive one which could be used to replace the benchmark directly.

Key words：efficiency map; magnet field finite element method; mechanical strength; optimization design; PM-assisted synchronous reluctance machine

收稿日期：2015-07-29

中圖分類號(hào)：TM 351

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-6540(2016)01- 0077- 06

作者簡(jiǎn)介：張健(1983—)，男，工程師，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)與性能評(píng)估。

*基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(JB2013090)