內(nèi)置V型永磁體尺寸參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

羅騰科，殷時(shí)蓉，隗寒冰

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，重慶 400010)

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內(nèi)置V型永磁體尺寸參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

羅騰科，殷時(shí)蓉*，隗寒冰

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，重慶 400010)

通過(guò)改變電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)來(lái)提高電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和效率，基于ANSYS電磁仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)了“V”型磁路結(jié)構(gòu)及其相關(guān)尺寸參數(shù)，利用空載系數(shù)和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最優(yōu)化得到最優(yōu)尺寸，最后通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比原“一”字型磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的性能輸出，結(jié)果表明：“V”型磁路結(jié)構(gòu)相比于“一”字型磁路結(jié)構(gòu)，輸出轉(zhuǎn)矩提高了6.3N，效率提高了5%，驗(yàn)證了“V”型永磁體尺寸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性。

永磁同步電動(dòng)機(jī)；V型磁路；空載漏磁系數(shù)；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

車(chē)用電機(jī)不同于常規(guī)工業(yè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，車(chē)用電機(jī)通常要求頻繁地啟動(dòng)/停車(chē)、加速/減速，低速或者爬坡要求有大轉(zhuǎn)矩，高速行駛時(shí)要求有低轉(zhuǎn)矩，并要求變速范圍大[1]。電機(jī)內(nèi)置式永磁體嵌入在轉(zhuǎn)子沖片的內(nèi)部，轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度高，動(dòng)靜態(tài)性能好；且由于其特殊的磁路結(jié)構(gòu)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生凸極效應(yīng)，在勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩基礎(chǔ)上產(chǎn)生額外的磁阻轉(zhuǎn)矩，進(jìn)一步提高永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能[2][3]。

分析對(duì)比幾種常見(jiàn)的不同內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，吳延忠等通過(guò)對(duì)不同隔磁橋?qū)挾鹊娜≈祦?lái)分析空載漏磁系數(shù)的變化，最后得出在綜合考慮機(jī)械強(qiáng)度和電機(jī)性能的同時(shí)選取合理的隔磁磁橋?qū)挾萚4]；胡光偉等采用有限元法仿真不同隔磁磁橋橋厚度對(duì)電機(jī)電磁性能及轉(zhuǎn)子應(yīng)力的影響，得出帶輔助隔磁磁橋“V”型轉(zhuǎn)子的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)能夠兼顧電磁性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，更適合高速運(yùn)行[5]。馮桂宏等通過(guò)對(duì)調(diào)整轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)而優(yōu)化電機(jī)反電勢(shì)和凸極率來(lái)拓寬永磁電機(jī)的弱磁調(diào)速范圍[6]。王艾萌等通過(guò)優(yōu)化相鄰磁極間距和磁極植入深度來(lái)消弱高次諧波，進(jìn)一步得到較優(yōu)的紋波轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并給出紋波轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)表達(dá)式[7]。以上文獻(xiàn)都是對(duì)獨(dú)立的永磁體尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，本文將更全面的分析所有影響電機(jī)性能的永磁體尺寸參數(shù)。

本文針對(duì)市場(chǎng)上某款25 kW內(nèi)置一字型車(chē)用永磁同步電機(jī)，在不改變其他尺寸參數(shù)和電氣參數(shù)的情況下，更改磁路結(jié)構(gòu)，將原有的一字型磁鋼更改為新型V型磁鋼布置。首先采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式估算永磁體基本尺寸參數(shù)，然后利用ANSYS電磁仿真平臺(tái)通過(guò)優(yōu)化電機(jī)的某些性能來(lái)選取永磁體最佳尺寸參數(shù)，仿真V型永磁體電機(jī)性能輸出，最后對(duì)比現(xiàn)有成熟產(chǎn)品的性能輸出，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

1　內(nèi)置V型永磁體參數(shù)

鑒于車(chē)用電機(jī)高功率密度的性能要求，以及安裝空間和重量的限制，轉(zhuǎn)子沖片永磁體的布置空間相當(dāng)有限。因此，對(duì)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是保證電機(jī)表現(xiàn)出更佳性能的關(guān)鍵所在，其中包括永磁體寬度Width、磁化方向厚度Thickness、隔磁磁橋?qū)挾菳ridge、隔磁磁橋長(zhǎng)度Hrib、相鄰永磁體磁極間距Rib以及磁極中心植入深度Do的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1　內(nèi)置V型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)

確定V型永磁體基本尺寸參數(shù)，圖1為轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)置V型永磁同步電機(jī)的二維簡(jiǎn)圖。

2　永磁體參數(shù)優(yōu)化

2.1隔磁磁橋尺寸的選取

隔磁磁橋的作用，一是增加轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度，二是通過(guò)隔磁磁橋部位漏磁通的飽和來(lái)達(dá)到限制永磁體漏磁的作用。隔磁磁橋的尺寸對(duì)電機(jī)空載漏磁系數(shù)的影響較大，而空載漏磁系數(shù)的取值一方面決定了永磁體材料的性能，另一方面對(duì)電機(jī)的性能有較大影響。對(duì)于永磁體，空載漏磁系數(shù)和永磁體利用率成反比，即空載漏磁系數(shù)越大，永磁體利用率越低；對(duì)于電機(jī)性能，漏磁系數(shù)的大小決定了電動(dòng)機(jī)弱磁擴(kuò)速能力的高低[8][9]。綜上，研究隔磁磁橋尺寸對(duì)空載漏磁系數(shù)的影響規(guī)律，一方面可以保證電機(jī)和永磁體性能的最佳表現(xiàn)，另一方面可以通過(guò)合理的空載漏磁系數(shù)的取值來(lái)尋求最佳的隔磁磁橋尺寸參數(shù)。漏磁系數(shù)σ定義為永磁體提供的總磁通Φm與進(jìn)入電樞的氣隙主磁通Φδ之比：

(1) 表1　不同隔磁磁橋?qū)挾葘?duì)漏磁系數(shù)的影響

圖2　漏磁系數(shù)與隔磁磁橋?qū)挾惹€(xiàn)

通過(guò)表1和圖2可以得出，漏磁系數(shù)隨著隔磁磁橋?qū)挾鹊脑龃蠖黾?，漏磁系?shù)取值較大，永磁體利用率將降低，漏磁系數(shù)取值較小，轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度無(wú)法滿(mǎn)足，綜合考慮漏磁系數(shù)對(duì)電機(jī)各種性能的要求，本文取隔磁橋?qū)挾葹? mm。

2.2磁極間距和磁極中心植入深度的優(yōu)化

轉(zhuǎn)矩波動(dòng)是造成電機(jī)在低速狀態(tài)下振動(dòng)、噪聲、影響安全運(yùn)行、縮短電機(jī)壽命以及乘坐舒適性的因素。而永磁體磁極間距和磁極中心植入深度是影響轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的主要因素之一，通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)矩波動(dòng)來(lái)尋求最優(yōu)的磁極間距和植入深度的參數(shù)配合。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)通常由兩部分組成，即齒槽轉(zhuǎn)矩和紋波轉(zhuǎn)矩。紋波轉(zhuǎn)矩TRip主要是由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)諧波和定子電流相互作用的結(jié)果，表現(xiàn)為一個(gè)周期內(nèi)最大轉(zhuǎn)

矩Tmax與最小轉(zhuǎn)矩Tmin的的差值和平均轉(zhuǎn)矩Tavg之比，即

(2)

(3)

式中：Bs和Br分別為定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的氣隙磁通密度的幅值，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)，l為電機(jī)軸向厚度，θs為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度，g為氣隙徑向長(zhǎng)度，r為氣隙的平均半徑且,μ0為氣隙磁導(dǎo)率，δ為Bs基波分量超前Br基波分量的角度。

式3表明紋波轉(zhuǎn)矩和定轉(zhuǎn)子磁通密度的諧波有關(guān)，在繞組形式一定的情況下，為進(jìn)一步減少紋波轉(zhuǎn)矩，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸優(yōu)化來(lái)削弱高次諧波。表2為負(fù)載情況下，仿真不同永磁體磁極間距Rib和磁極中心植入深度Do對(duì)紋波轉(zhuǎn)矩的影響?？紤]到轉(zhuǎn)子內(nèi)部空間的限值，以及保證合理的永磁體寬度和磁化方向厚度，這里設(shè)定Do的取值范圍為4～6 mm，Rib的變化范圍都為4～7.5 mm。經(jīng)過(guò)有限元仿真得出紋波轉(zhuǎn)矩的含量隨著Do和Rib的變化關(guān)系如表2所示，我們可以得出當(dāng)Do為4.5 mm，Rib為7 mm時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最小為4.1%。

表2　隨永磁體相鄰磁極間距和磁極中心植入深度變化的紋波轉(zhuǎn)矩含量

圖3　優(yōu)化前后輸出轉(zhuǎn)矩比較

從圖3優(yōu)化前后轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度來(lái)看，合理的永磁體尺寸參數(shù)將會(huì)保證電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出更為平穩(wěn)，這樣有利于降低振動(dòng)噪聲，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

3　電磁性能分析

3.1空載磁通和磁力線(xiàn)分布

通過(guò)以上對(duì)V型永磁體尺寸參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在有限元仿真平臺(tái)ANSYS中使用優(yōu)化后的電機(jī)參數(shù)，分析驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁性能，得到電機(jī)空載時(shí)的磁通分布和磁力線(xiàn)分布云圖，如圖4-5。

圖4　空載磁通密度

圖5　空載磁力線(xiàn)

所謂空載狀態(tài)，即為電樞電流為0，電機(jī)內(nèi)部?jī)H有永磁體勵(lì)磁。圖4和圖5分別為空載情況下不同的磁通密度分布和磁力線(xiàn)分布圖，其中彩虹條紋代表電機(jī)各個(gè)部位不同的磁通密度值；從圖4空載磁通密度分布云圖中可以看出隔磁磁橋部位出現(xiàn)了局部飽和現(xiàn)象，內(nèi)置V型磁路結(jié)構(gòu)正是利用這一點(diǎn)來(lái)達(dá)到限制漏磁的作用。從圖5空載磁力線(xiàn)分布云圖可以看出，除了隔磁磁橋的磁通飽和之外，其他部位均未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，說(shuō)明隔磁磁橋起到了良好的限制漏磁效果。綜上可以得出內(nèi)置V型永磁體的優(yōu)化設(shè)計(jì)是合理的。

3.2空載氣隙磁場(chǎng)波形

空載時(shí)電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，由于永磁體為矩形體，氣隙磁場(chǎng)波形近似梯形波，而非標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。由轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)的對(duì)稱(chēng)性可知，轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)除基波以外只有奇數(shù)次諧波。圖6和圖7分別為電機(jī)空載氣隙諧波分布和傅里葉分解圖，從圖中可以看出所設(shè)計(jì)的V型磁路電機(jī)含有少量的奇數(shù)次諧波，表3中可以看出空載氣隙磁通密度波形畸變率較高的為3次諧波和5次諧波，分別達(dá)到8.9%和10.1%。諧波含量的多少直接決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪音振動(dòng)，以及影響電機(jī)在輕載時(shí)的效率。最高10.1%的波形畸變率在電機(jī)設(shè)計(jì)的允許范圍內(nèi)，所以所設(shè)計(jì)的V型磁路電機(jī)基本滿(mǎn)足性能要求。

圖6　空載氣隙諧波分布

圖7　空載氣隙磁密波形傅里葉分解圖

諧波次數(shù)基波357911幅值/T0.7340.06540.07410.03840.00460.0268波形畸變率08.9%10.1%5.2%6.3%3.7%

4　實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為了分析改變轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)性能的影響以及V型永磁體電磁參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，利用試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法分別得到兩種不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的性能輸出。首先利用圖8電渦流測(cè)功機(jī)測(cè)試25 kW內(nèi)置一字型永磁同步電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下不同直流母線(xiàn)電流對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值，然后在ANSYS仿真平臺(tái)中仿真得出內(nèi)置V型電機(jī)在相同直流母線(xiàn)電流下電機(jī)的轉(zhuǎn)矩值，對(duì)兩者的輸出結(jié)果對(duì)比分析，得出仿真結(jié)果和試驗(yàn)值之間的差值，如表4所示。然后繪制出兩種磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的效率轉(zhuǎn)速特性曲線(xiàn)，如圖9所示。

圖8　電渦流測(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架

直流母線(xiàn)電流/A仿真轉(zhuǎn)矩/N×m試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩/N×m轉(zhuǎn)矩提升/N13.3411.810.21.623.421.720.90.833.232.231.70.543.8144.343.50.853.8356.251.94.360.12646227177.172.64.599.87109.4103.16.3126.1134.4129.84.6141.4146.8142.74.1

圖9　內(nèi)置一字型和V型磁路電機(jī)的效率分布對(duì)比曲線(xiàn)

表4說(shuō)明改進(jìn)后電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出性能得到了提升，最高提升了6.3 N；圖9說(shuō)明通過(guò)改變轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，電機(jī)的整體效率得到了提高。

5　結(jié)論

本文針對(duì)市場(chǎng)上一款25 kW車(chē)用永磁同步電機(jī)，通過(guò)改變轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)來(lái)提升整個(gè)電機(jī)的性能輸出。利用ANSYS仿真平臺(tái)對(duì)V型永磁體的尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)滿(mǎn)足電機(jī)期望的性能要求來(lái)尋求最優(yōu)的尺寸參數(shù)。最后通過(guò)試驗(yàn)的方法對(duì)比分析了所設(shè)計(jì)的V型永磁體和原電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大小和效率高低，結(jié)果表明新型V型磁路結(jié)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力更強(qiáng)，效率更高，說(shuō)明了所設(shè)計(jì)電機(jī)永磁體尺寸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性。

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(責(zé)任編輯：王先桃)

The optimization design of built-in V-shape permanent magnet’s Size parameters

LUO Tengke YIN Shirong*WEI Hanbing

(School of Mechanotronics & Vehicle Engineering,Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400010)

Increases the output torque and the motor efficiency through changing the magnetic circuit structure，designed V-shape magnetic circuit structure and its associated size parameters based on ANSYS electromagnetic simulation platform, optimized them through optimum No-load flux leakage coefficient and Torque-ripple. Comparing the output performance of primary “一”-shaped magnetic motor by bench test, the results showed that: V-shape magnetic circuit structure increase the output torque 6.3N, efficiency 5%, the designed V-shape permanent magnets parameters were verified for its rationality.

permanent-magnet synchronous motor; V-shape magnetic circuit; No-Load flux leakage coefficient; torque ripple

B

1000-5269(2016)03-0068-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.03.17

2016-04-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305472)；重慶市科委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(cstc2014jcyjA60005)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1400312)

羅騰科(1991-)，男，在讀碩士，研究方向：車(chē)用永磁同步電機(jī)的電磁性能分析，Email：mavericor@163.com.

殷時(shí)蓉，Email：yinsr@126.com.

TM313