車用高功率密度永磁同步電機設計及試驗研究

劉奇林，　沈啟平

(1. 中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶　400037；

2. 重慶大學 電氣工程學院，重慶　400044)

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車用高功率密度永磁同步電機設計及試驗研究

劉奇林1，沈啟平2

(1. 中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037；

2. 重慶大學 電氣工程學院，重慶400044)

摘要：在分析車用永磁同步電機運行控制規(guī)律的基礎上，對其電磁設計方法進行了研究，給出了電磁設計流程。在此基礎上，從反電動勢選擇、極槽配合選擇、電抗參數(shù)計算方法、轉矩特性計算、齒槽轉矩計算等方面對“V”型和“V一”型轉子結構電機的分析計算方法進行了介紹，并比較了兩種轉子結構的電機性能。最后，設計并制造了20kW、最高轉速9000r/min、功率密度1.5kW/kg的“V”型轉子和“V一”型轉子兩臺樣機，并進行了電磁性能試驗測試。測試結果與分析結果吻合較好，驗證了設計和分析方法的有效性。

關鍵詞：永磁同步電機； 轉子結構； 高功率密度； 電動汽車

0引言

全球氣候變暖、能源問題日益嚴重，使得新能源汽車的開發(fā)和推廣越來越受到各國政府、汽車制造商、科研院所的高度重視[1-2]。各大汽車廠商都對永磁同步電機在電動汽車領域中的應用進行積極研究和開發(fā)。截止2010年，在美國銷售的混合動力汽車中約90%以上的汽車都采用永磁同步電機驅動。

整數(shù)槽繞組電機在電動汽車上得到了廣泛采用。豐田公司的Prius和2007Camry就采用了8極48槽結構作為驅動電機[3-5]，其中2007Camry驅動電機功率密度達到了2.55kW/kg，轉子采用“V”型結構，整個電機結構如圖1所示，整個運行區(qū)間的最高效率大于94%[6]。近幾年，日本電機工程研究實驗室與其他公司合作推出采用雙層永磁體的內置式永磁同步電機，使電機轉矩增加10%，最大效率區(qū)寬度增加10%。豐田公司2008 Lexus LS600H就采用了這種內置雙層轉子結構的8極48槽的永磁同步電機，電機最高效率大于95%，效率大于80%的區(qū)域占整個運行區(qū)域的約85%[7]。

圖1　2007Camry驅動電機轉子結構

日本日產公司的leaf電動汽車驅動電機也采用8極48槽的永磁同步電機。在歐美，雷米公司、UQM公司、通用汽車公司的永磁同步電機也都采用了相類似的整數(shù)槽驅動電機。

雖然整數(shù)槽繞組電機有很多優(yōu)點，但是其端部較長的缺點卻降低了其功率密度。分數(shù)槽集中繞組由于端部長度短、定子鐵心利用率高等優(yōu)點受到廣泛關注，近年來應用領域逐漸擴大。本田和韓國現(xiàn)代汽車等公司在旗下電動汽車中就采用了該模塊化集中繞組永磁電機。以本田公司的2005 Accord混合動力汽車驅動電機為例，電機結構如圖2所示，采用16極24槽結構，并且定子采用單齒繞、模塊化結構，整個運行區(qū)間電機的最高效率大于95%[8]。幾款電機的部分參數(shù)如表1所示。

圖2　2005 Accord驅動電機定轉子結構

項目2007Camry2004Prius2010Prius2005Accord2008LS600HPmax/kW105506012110Tmax/(N·m)270400207136300nmax/(r·min-1)14000600013500650010230D1/mm264269264315.5200Di1/mm161.9161.9162.4232130.86D2/mm160.5160.5160.4230129.1g/mm0.730.731.01.00.89Ls/mm60.78450.840.1135.42p/Q8/488/488/4816/248/48m/kg41.14537.6922.644.7PD/(kW·kg-1)2.551.111.590.5322.46VD/(kW·L-1)5.93.34.81.516.59TD/(Nm·kg-1)6.568.895.496.016.71

1電磁設計方法研究

車用永磁同步電機采用矢量控制，外部控制的介入使得電機運行方式和內部電磁場分布與傳統(tǒng)正弦波電壓供電時有很大差別。比如正弦波電壓供電下電機額定電壓為380V或220V，繞組匝數(shù)的多少并不能改變這個額定電壓，繞組中的電流由負載轉矩和額定電壓共同決定，所以對于該類型電機應該采用電壓為主的計算方法。當采用矢量控制之后，不同匝數(shù)和永磁體尺寸的電壓電流一般都不相同。為了滿足負載需要，首先確定的是電機電流，對于該類型電機應該采用以電流為主的計算方法。以最大轉矩/電流控制為例，當選定繞組匝數(shù)、永磁體尺寸等其他參數(shù)后，根據(jù)轉矩公式便可算出繞組電流，之后通過電壓方程計算得到電壓。圖3給出了矢量控制永磁同步電機設計流程圖。流程圖中除了電壓、電流、損耗計算方法與傳統(tǒng)正弦波電壓供電電機計算方法有很大差別以外，其他計算方法基本一致，詳細請參考文獻[9]，這里僅對不同之處進行分析說明。

圖3　矢量控制永磁同步電機設計流程圖

1.1恒轉矩階段性能計算方法

為了降低輸入電流，提高效率，在恒轉矩階段車用永磁同步電機一般采用最大轉矩/電流控制。此時電機電流、電壓和電磁轉矩滿足如下方程：

(1)

(2)

Tem=p(ψfiq+(Ld-Lq)idiq)

(3)

式中：ψf——永磁磁鏈；

Lq、Ld——交直軸電感；

iq、id——交直軸電流；

uq、ud——交直軸電壓;

ω——電角速度；

Tem——電磁轉矩；

p——極對數(shù)。

聯(lián)合式(1)~式(3)可得到：

iq=f(Ld，Lq，ψf，Tem)

(4)

在給定負載轉矩后，通過式(1)和式(4)計算得到的電流便是滿足負載輸出轉矩的最小電流。將計算得到的id、iq代入電壓方程，得到額定電壓，調用磁路和損耗等計算模塊便可得到其他性能。

1.2恒功率階段性能方法

在弱磁階段，電機輸入電壓和輸出功率保持恒定，輸出轉矩隨著轉速的升高而逐漸降低。電機電流由電壓方程和輸出轉矩共同決定。在給定轉速下，通過聯(lián)合求解電壓方程式(2)和轉矩方程式(3)便可得到繞組電流，之后再調用磁路計算等相關模塊便可得到其他性能。

2車用永磁同步電機設計

2.1設計目標及主要結構參數(shù)和結構形式的確定

車用永磁同步電機主要參數(shù)和結構形式的確定主要包括定子內外徑、軸向長度的確定及轉子結構的確定。

永磁同步電機作為新能源汽車的動力源，其安裝尺寸的確定必須要與整車的設計相配合。對于本文所研發(fā)的20kW、4500r/min的樣機要求，其外形尺寸限定為外徑小于234mm、軸向長度小于200mm。在最大外徑允許的基礎上考慮到水道和機殼的尺寸，最終確定得到本文所研發(fā)的樣機定子最大外徑為194mm。

不同轉子結構對車用永磁同步電機的弱磁調速性能、電機效率等都有重要影響。表面式結構氣隙磁密波形較好，空載雜散損耗較小，但永磁體直接面向氣隙，渦流損耗相比內置式結構大；內置式結構氣隙磁密波形諧波含量相對較大，但永磁體深埋轉子內部，永磁體損耗較小，可以利用磁阻轉矩，提高電機功率密度，且由于永磁體在轉子內部，更適合于高速運行。本文所研發(fā)的樣機最高轉速為9000r/min，所以選用內置式結構。

2.2極槽配合的選擇

車用永磁同步電機采用矢量控制，極數(shù)和槽數(shù)的選擇比傳統(tǒng)正弦波電壓供電時更加自由，但極槽配合的選擇對電機性能有重要影響。車用永磁同步電機受到安裝空間的限制，電機功率密度是一個重要考核指標。所以在選擇極槽配合時應重點從損耗和散熱兩個方面考慮。

從每極每相槽數(shù)來說，極槽配合可以大致分為兩大類： 第一類是整數(shù)槽或者每極每相槽數(shù)分母為2的近整數(shù)槽配合；第二類是極槽數(shù)相近或者每極每相繞組分母不為2的極槽配合。第一類極槽配合的繞組磁動勢不含有分數(shù)次諧波，基波電流產生的空間磁動勢諧波含量相對較少，其產生的轉子損耗較小。第二類極槽配合的繞組磁動勢含量豐富，特別是極槽數(shù)相近的多極少槽電機，其次諧波幅值極大(8極9槽結構1.25次磁動勢諧波為基波的80%)，并且相對轉子旋轉，在轉子中產生大量損耗，但此類型極槽配合的優(yōu)點是齒槽轉矩低，繞組端部短，并且時間諧波對轉子損耗的影響較小。本文所研發(fā)樣機額定轉速為4500r/min，最高轉速為9000r/min，若采用第二類極槽配合結構，其分數(shù)次諧波會在轉子和永磁體中產生較大渦流損耗，影響電機的可靠運行。最終本文選取每極每相槽數(shù)為2的整數(shù)槽結構。不同極數(shù)下的電機性能對比如表2所示。從表2中可以看出，8極電機在效率和熱負荷方面都優(yōu)于4、6極電機，所以對20kW樣機選用8極結構。

表2　不同極數(shù)電機性能對比

2.3空載反電動勢的選擇

空載反電動勢是矢量控制永磁同步電機最重要的參數(shù)。其大小對系統(tǒng)調速性能、過載能力、熱能力都有著重要影響。額定20kW、4500r/min不同反電動勢時的效率和電流隨轉速變化關系如圖4~圖5所示。從兩圖中可以看出，當反電動勢較大時，恒轉矩階段效率較高，弱磁恒功率階段的電流也沒有大于恒轉矩階段的電流，但反電動勢增大時永磁體用量增加。綜合考慮，本文對“V”型轉子和“V一”型轉子的反電動勢標幺值分別選擇為0.70和0.66。

圖4　不同反電動勢時效率隨轉速變化關系

圖5　不同反電動勢時電流隨轉速變化關系

2.4電抗參數(shù)的計算分析

從最大轉矩/電流控制下電機的數(shù)學模型可以看出，車用永磁同步電機的三個主要參數(shù)(ψf、Ld、Lq)對控制性能尤為重要。參數(shù)設計得不合理還會使得電機和驅動系統(tǒng)不匹配，降低整個系統(tǒng)的驅動性能。高功率密度車用永磁同步電機在過載情況下的磁負荷和電負荷都很高，磁路嚴重飽和，同時，在峰值工況運行時逆變器輸出電流中諧波含量也很大。這些因素的存在都給參數(shù)的準確計算帶來了難度。

傳統(tǒng)能量法計算電感時需要改變轉子位置，求得各繞組自感和互感隨轉子位置的變化關系，通過變化之后得到交直軸電感。當電機體積較大或者對比分析方案較多時，計算時間很長。對于車用永磁同步電機來說，電機負載變化較大，若要得到不同負載情況下的電機電抗參數(shù)更耗費時間。本文在傳統(tǒng)能量法的基礎上，對求解過程進行改進，改進之后只需要求解一個單元電機(整數(shù)槽繞組只需要一個極)在一個位置下的繞組電感，極大地提高了求解速度。這對電機設計階段方案的優(yōu)選有重要意義。

永磁同步電機繞組三相磁鏈可表示為

(5)

式中： ψA、ψB、ψC——電樞反應磁鏈；

Lxy——y相繞組對x相繞組的互感，若x=y，則表示x相的自感(x，y=A，B，C)；

LABC——電感矩陣。

ABC坐標系下電流與dq坐標系下電流關系為

(6)

式中： θ——轉子位置。

dq軸磁鏈與相繞組磁鏈關系為

(7)

將式(5)和式(6)代入式(7)中即可得到：

(8)

(9)

式中： Lσe——電機端部漏感。

該方法計算過程不用改變電機轉子位置，只需要對一個位置求解即可，不用像常規(guī)能量法求解過程那樣對自感和互感進行傅里葉分解。

計算得到兩種轉子結構交直軸電感隨電流變化曲線如圖6~圖7所示。從兩圖中可以看出，兩種轉子結構交軸電感幾乎相等，而“V一”型結構的直軸電感略大于“V”型結構，增大比例約為5.6%。還可以看出： 交軸電感受電流的影響很大，直軸電感相對較小。當電流從額定電流增大至3倍額定電流時(相當于3倍轉矩過載)，交軸電感由0.6736mH減小到0.3389mH，減小了49.7%，直軸電感由0.4mH減小到0.3mH，減小了25%。

圖6　“V”型結構電感隨電流變化曲線

圖7　“V一”型結構電感隨電流變化曲線

2.5轉矩特性的計算分析

“V一”型和“V”型轉子在結構上的不同直接導致轉矩特性的不同，計算得到相同電流下兩種轉子結構電磁轉矩隨內功率因數(shù)角的變化關系如圖8~圖9所示。從兩圖中可以看出，隨著電流的增大，取得最大轉矩點所對應的內功率因數(shù)角會越大。對于本文所研發(fā)的樣機來說，當內功率因數(shù)角50°時為極限值。各點所產生的最大電磁轉矩隨電流變化關系如圖10所示。從圖10中可以看出，電流小于240A時，兩種轉子結構轉矩基本相同；電流大于240A以后，“V一”型結構的轉矩要大于“V”型結構。這主要是由于轉矩較大時取得最大轉矩時的直軸去磁電流較大，而“V一”型結構的直軸電感大于“V”型結構，相同電流下整個電機磁路沒有“V”型結構飽和，所以轉矩稍大。綜合分析可看出，“V一”型結構轉矩特性要優(yōu)于“V”型結構。

圖8　“V一”型結構轉矩隨內功率因數(shù)角變化曲線

圖9　“V”型結構轉矩隨內功率因數(shù)角變化曲線

圖10　轉矩特性比較

3樣機設計制造及試驗研究

經過分析，設計制造了兩臺額定功率20kW、額定轉速4500r/min、功率密度1.5kW/kg的水冷型永磁同步電機，樣機結構如圖11所示。其質量為25.8kg，電機功率密度為1.55kW/kg，相關參數(shù)及性能參數(shù)如表3所示。

圖11　20kW樣機結構

參照車用電機國家標準《GB/T 18488.2—2006 電動汽車用電機及其控制器 第2部分 試驗方法》對所設計的樣機進行相關性能測試。性能試驗平臺如圖12所示。由于樣機轉速較高，所以采用渦流測功機當作負載。為保證測試結果的準確性，在渦流測功機和被試電機之間加入轉矩轉速傳感器。表4給出了額定負載時“V”型和“V一”型轉子兩臺樣機計算結果和試驗測試結果的對比。從表4中可以看出，兩臺電機電壓計算誤差都小于5%，電流計算誤差小于2%，功率因數(shù)的計算誤差稍大?？傮w來看，計算結果都能滿足實際需要?？紤]到試驗系統(tǒng)的安全性，在進行弱磁調速性能試驗時降低系統(tǒng)的直流母線電壓，使得系統(tǒng)從3000r/min 開始弱磁。圖13~圖14給出了“V”和“V一”型轉子的弱磁調速曲線。從兩圖中可以看出，本文的計算結果與試驗吻合較好，驗證了分析方法的有效性。

圖12　性能試驗平臺

參數(shù)名稱參數(shù)值參數(shù)名稱參數(shù)值額定功率/kW20峰值功率/kW40額定轉速/(r·min-1)4500最高轉速/(r·min-1)9000定子外徑/mm194定子內徑/mm127軸向長度/mm75氣隙長度/mm0.7極數(shù)8槽數(shù)48每槽導體數(shù)4并聯(lián)支路數(shù)1空載反電動勢/V(“V一”型)135空載反電動勢/V(“V”型)123額定電壓/V189額定電流/A(“V一”型)83額定電流/A(“V”型)87.5直軸電感(“V”型)/mH0.378直軸電感(“V一”型)/mH0.4交軸電感/mH0.67效率/%(“V一”型)93效率/%(“V”型)92

表4　試驗結果與計算結果對比

圖13　“V”型轉子測試結果與試驗結果對比

圖14　“V一”型轉子測試結果與試驗結果對比

4結語

本文對車用高密度永磁同步驅動電機的電磁設計方法進行了研究，提出了矢量控制永磁同步電機普遍適用的電機電磁設計方法和電抗參數(shù)計算方法?；谠摲椒ㄔO計并制造了額定功率20kW、最高轉速9000r/min、峰值功率40kW、功率密度1.5kW/kg、轉子結構分別為“V”和“V一”的兩臺樣機。搭建了系統(tǒng)試驗平臺并進行了電磁性能測試。測試結果與計算分析結果誤差較小，驗證了所提出的計算分析方法的正確性。

【參 考 文 獻】

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[9]王秀和.永磁電機[M].北京： 中國電力出版社，2008.

Design and Experimental Research of High Power Density

Permanent Magnet Synchronous Motor

LIUQilin1，SHENQiping2

(1. China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute， Chongqing 400037， China；

2. School of Electrical Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044， China)

Abstract：Based on the analysis of vehicle on the basis of the permanent magnet synchronous motor running control law， the electromagnetic design method was studied， the electromagnetic design process was given. On this basis， from the counter electromotive force choice， choose slot coordination， reactance parameters calculation method， the torque characteristics， the cogging torque calculation of “V” type and “V” type of motor rotor structure analysis and calculation method were introduced， and compared the two rotor structure of motor performance. Finally， the design and manufacture for 20 kW， top speed of 9000 r/min， the power density of 1.5 kW/kg “V” type a “V” type rotor and rotor two prototype， and has carried on the electromagnetic performance experiment testing， test results and the analysis results were in good agreement， verified the effectiveness of the design and analysis method.

Key words：permanent magnet synchronous motor； rotor structure； high power density； electric car

收稿日期：2015-06-19

中圖分類號：TM 351

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2015)11- 0088- 07

作者簡介：劉奇林(1979—)，男，碩士，研究方向為交流電機及永磁同步電機產品設計。

沈啟平(1978—) 男，博士，講師，研究方向為特種電機及其控制，新能源汽車電驅動。