電動汽車永磁同步驅(qū)動電機(jī)優(yōu)化波形質(zhì)量方法*

張炳義， 張霄霆， 姜珊珊

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 唐山普林億威科技有限公司 研發(fā)部， 河北 唐山 063000)

電氣工程

電動汽車永磁同步驅(qū)動電機(jī)優(yōu)化波形質(zhì)量方法*

張炳義1， 張霄霆1， 姜珊珊2

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 唐山普林億威科技有限公司 研發(fā)部， 河北 唐山 063000)

為了提升電動汽車的品質(zhì)，控制永磁同步電機(jī)的振動與噪聲，在對內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的空載氣隙磁密波形與轉(zhuǎn)子磁體結(jié)構(gòu)關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新的氣隙磁密波形優(yōu)化方法.在均勻氣隙下，使單個磁極的磁密在空間上不均勻分布.設(shè)計了“M”型新轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，對“M”轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)建立了有限元分析模型，并進(jìn)行了有限元分析.結(jié)果表明：“M”轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的氣隙磁密波形接近于正弦波，氣隙磁密空間各成份諧波含量明顯減少，氣隙磁密波形正弦畸變率也有所減小，諧波得到了有效抑制.

電動汽車； 永磁電機(jī)； 振動與噪聲； 氣隙磁密； 不均勻分布； 優(yōu)化波形質(zhì)量； 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)； 有限元分析

建設(shè)生態(tài)文明、發(fā)展清潔能源、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今世界人類文明的重要共識.電動汽車已成為汽車行業(yè)新能源革命的典型代表，也是我國汽車行業(yè)的重要發(fā)展戰(zhàn)略.經(jīng)過“十二五”期間的大力推進(jìn)，中國電動汽車完成了起步階段的任務(wù).2016年新能源汽車產(chǎn)量達(dá)到51.7萬輛，同比增長36.4%，產(chǎn)銷量居世界第一，其中純電動汽車占比89%.中國汽車工程學(xué)會《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中規(guī)劃：到2025年，新能源汽車銷量占整個汽車銷量的15%，到2030年，新能源汽車銷量占整個汽車銷量的40%，電動汽車發(fā)展空間巨大[1].

稀土永磁同步電機(jī)的振動與噪聲控制將成為電動汽車品質(zhì)提升的重要因素，稀土永磁電機(jī)已成為電動汽車動力主流.傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)因永磁體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的氣隙磁密波形近似方波而存在“獨(dú)特”的驅(qū)動電機(jī)振動與噪聲.不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的氣隙磁場中諧波含量有較大差異，諧波含量越大，定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯中的諧波損耗也會越大，永磁電機(jī)的效率則會大大降低，導(dǎo)致氣隙磁密波形質(zhì)量變差[2].諧波電流和諧波磁場還會產(chǎn)生附加的轉(zhuǎn)矩波動，從而引起電機(jī)的振動和噪聲.降低電動汽車永磁同步電機(jī)的振動與噪聲已成為下一階段發(fā)展高品質(zhì)電動汽車的瓶頸.采用偏心磁極的方法可以減小感應(yīng)電勢諧波分量，達(dá)到優(yōu)化氣隙磁密波形目的[3-4]，但是電機(jī)轉(zhuǎn)子外圓形狀復(fù)雜，增加了電機(jī)的加工難度；文獻(xiàn)[5]提出了一種采用不等跨距繞組的模塊組合式定子永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了低速大功率電機(jī)定子的模塊化制作，增強(qiáng)了電機(jī)的制造靈活性、運(yùn)行可靠性、可維護(hù)性以及容錯性，但是該方法使得低速大功率電機(jī)體積過大，帶來了制造、運(yùn)輸、裝配以及維護(hù)困難等問題；文獻(xiàn)[6]針對定、轉(zhuǎn)子開槽引起的齒諧波磁場在定子電樞繞組中感應(yīng)齒諧波電動勢的特點(diǎn)，從電機(jī)設(shè)計角度獲得了一些有益的結(jié)論；文獻(xiàn)[7]利用離散Halbach陣列氣隙磁通密度分布特點(diǎn)，通過改變槽口寬度改變繞組匝鏈磁鏈的波形，從而改善磁密波形；文獻(xiàn)[8]根據(jù)充磁方式、磁軛及極靴形狀的變化情況，采用二維有限元方法對相應(yīng)的氣隙磁密變化情況進(jìn)行分析，得出了改變磁鋼形狀會改變電機(jī)的氣隙分布，而氣隙的分布與電機(jī)氣隙磁密呈正相關(guān)的結(jié)論.上述文獻(xiàn)均從不同角度對氣隙磁密波形進(jìn)行了改善，取得了不同的效果，表明學(xué)者已開始重視永磁同步電機(jī)氣隙磁密波形的改善研究.

本設(shè)計以均勻氣隙下內(nèi)置永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化為研究核心，以凝練優(yōu)化波形質(zhì)量方法為研究內(nèi)容，以“M”型優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為研究對象，將“M”型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)“一”字型結(jié)構(gòu)的氣隙磁密波形進(jìn)行對比，并通過有限元仿真驗證了優(yōu)化方法的有效性.

1 傳統(tǒng)電機(jī)結(jié)構(gòu)及其氣隙磁密波形

傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的“一”字轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及氣隙磁密波形如圖1所示.永磁同步電機(jī)的磁場由永磁體產(chǎn)生，永磁體通常為矩形塊.當(dāng)采用均勻氣隙時，永磁同步電機(jī)空載永磁體提供的氣隙磁通[7]為

(1)

式中：bm0為永磁體空載工作點(diǎn)；Br為永磁體剩磁密度；σ0為空載漏磁系數(shù)；Am為永磁體提供每極磁通的面積.

圖1 “一”字轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及氣隙磁密波形Fig.1 “一-shape”rotor structure and waveformof air gap flux density

由圖1a可以看出，“一”字轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在一個磁極下的磁通由3塊永磁體Y1、Y2、Y3提供.“一”字轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)均勻氣隙空載下的氣隙磁場波形呈梯形分布[9]，這種磁場波形決定了永磁同步電機(jī)具有如下特征：

1) 電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動大；

2) 梯形波的氣隙磁場中含有大量的諧波，必然會產(chǎn)生附加的振動噪聲，導(dǎo)致電機(jī)的振動噪音大；

3) 氣隙磁場諧波含量大，將導(dǎo)致電機(jī)的鐵芯損耗比異步電機(jī)大得多，這不僅影響電機(jī)額定運(yùn)行時的效率，還會因為空載損耗增大，直接影響到電機(jī)輕載時的效率.

2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化與“M”結(jié)構(gòu)設(shè)計

為獲得較理想的氣隙磁密波形，對傳統(tǒng)“一”字型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行“M”型構(gòu)建.“M”型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)是由兩個“一”字型和一個“V”字型組成，其磁鋼的尺寸、角度、相對位置以及磁通都會影響氣隙磁密波形.在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，每段永磁體之間互不接觸，以提高電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片的機(jī)械強(qiáng)度，各永磁體中間留有一定的隔磁橋.通過合理排布永磁體的各項參數(shù)，即合理設(shè)計“M”型轉(zhuǎn)子永磁體中兩個“一”字型磁鋼和中間“V”字型磁鋼的尺寸、角度和相對位置，調(diào)控永磁體的磁通，使得在一個磁極下，兩邊“一”字型永磁體磁通較低，中間“V”字型永磁體磁通較高，從而獲得正弦化氣隙磁密波形.正弦化氣隙磁密波形有效改善了永磁電機(jī)的波形質(zhì)量，圖2為本設(shè)計所使用的優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及氣隙磁密波形圖.

圖2 “M”優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及氣隙磁密波形Fig.2 Optimized “M-shape” rotor structure andwaveform of air gap flux density

優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)空載時永磁體提供的氣隙磁通為

(2)

式中，Am1=A11+A21+A31+A41，A11、A21、A31、A41分別為4塊永磁體M11、M21、M31和M41的磁通面積.

“M”優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)正弦化氣隙磁密波形的實現(xiàn)機(jī)理為：把一個磁極下期望實現(xiàn)的正弦氣隙磁場波形函數(shù)B=Bn1sinθ分成N等份，將其看成由N個彼此間隔的永磁磁勢序列產(chǎn)生的氣隙磁場合成的波形.用N個幅值為Bn2的不等寬矩形磁場分量波形來代替期望的正弦氣隙磁場波形，等效波形圖如圖3所示.使矩形波的中線和相應(yīng)正弦波分割部分中線重合，且矩形波和相應(yīng)正弦波分割部分的面積相等.第n塊磁鋼的弧長寬度為

(3)

式中：Bn1為正弦波磁場基波幅值；Bn2為方波磁場幅值；k=Bn1/Bn2.

圖3 等效波形圖Fig.3 Equivalent waveform

將期望得到的正弦氣隙磁密波形等效后，每一個矩形波的面積與對應(yīng)的正弦波分割部分面積差值越小，等效后的波形越接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波.當(dāng)忽略其他影響因素時，分割值N越大，等效波形越接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波.但由于磁場存在邊緣效應(yīng)，若N取值過大，相鄰兩個方波所對應(yīng)磁鋼位置磁密差值較小，磁場會經(jīng)由隔磁橋向外分散，反而難以獲得期望的波形；同時如果N過大，每極磁鋼塊數(shù)較多，由于轉(zhuǎn)子空間有限，難以進(jìn)行有效排列，也又增加了工藝難度，實用性和經(jīng)濟(jì)性均有所降低.出于上述考慮，本文認(rèn)為N=3、每極磁鋼分成4塊，既可以達(dá)到優(yōu)化氣隙磁密波形的目的，也可以保證加工生產(chǎn)的便利性與經(jīng)濟(jì)性.

對于采用“M”型磁路的轉(zhuǎn)子優(yōu)化結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)對磁鋼位置進(jìn)行排布，遵循前文所述等效關(guān)系，極靴中間位置的磁密應(yīng)高于兩側(cè).由于極靴表面為正圓，因此氣隙長度不隨極靴位置不同而發(fā)生改變，即氣隙磁導(dǎo)均勻.欲改變氣隙磁密波形，應(yīng)通過控制極靴不同位置的磁通來實現(xiàn).本文在極靴中間位置放置兩塊呈“V”形排列的磁鋼，提供比兩側(cè)更高的磁通.這兩塊磁鋼之間的夾角過大，極靴表面磁通變化較小，難以有效優(yōu)化氣隙磁密波形；反之，當(dāng)夾角過小時，兩塊磁鋼工作點(diǎn)降低，不僅增加了退磁風(fēng)險，也浪費(fèi)材料，同時當(dāng)夾角小到一定程度以后，會引起轉(zhuǎn)子鐵芯飽和.

根據(jù)式(3)得出3等份永磁體所占的弧長計算分別為：

1號磁鋼的弧長寬度為

(4)

2號和3號永磁體組成的“V”字型結(jié)構(gòu)所占弧長寬度為

(5)

4號磁鋼的弧長寬度為

(6)

3 有限元建模與分析

本設(shè)計采用優(yōu)化內(nèi)置“M”型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，“V”字型永磁體和兩側(cè)面“一”字型永磁體所使用的磁鋼材料均為釹鐵硼N42UH，該永磁體材料具有高剩磁密度、高磁能積、高矯頑力的特點(diǎn)，它的磁性能高于稀土鈷永磁，是目前磁性能最高的永磁材料，被廣泛應(yīng)用于稀土永磁電機(jī)中[10].定子繞組采用單層鏈?zhǔn)嚼@制，定子和轉(zhuǎn)子鐵芯材料為DW310-50，磁場由永磁體建立，根據(jù)電機(jī)參數(shù)建立有限元分析模型，電機(jī)主要參數(shù)如表1所示.

表1 電機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of motor

根據(jù)建立的有限元模型，利用有限元軟件進(jìn)行有限元分析.在進(jìn)行空載有限元分析時，忽略邊緣效應(yīng)及電機(jī)外緣漏磁場，由“M”轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁體建立的磁場分布如圖4所示.由圖4可以看出，磁力線分別穿過定子、轉(zhuǎn)子、磁鋼和氣隙形成磁通環(huán)路.從圖4中還可以看出，在氣隙與定子齒之間存在著一些明顯的漏磁[11].優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的諧波和傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的諧波分別如圖5a、b所示.

圖4 “M”永磁電機(jī)空載磁力線分布Fig.4 Distribution of no-load magnetic force linefor “M-shape” permanent magnet motor

圖5 優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)諧波分析Fig.5 Harmonic analysis for optimized rotor structure

4 結(jié) 論

為了優(yōu)化永磁同步電機(jī)氣隙磁密波形，減少氣隙磁場中的諧波含量，降低轉(zhuǎn)矩脈動和噪音振動，本文在保持均勻氣隙的情況下，通過改變磁極在空間的分布，使得氣隙磁密波形正弦化，并且利用有限元軟件進(jìn)行了分析.由分析結(jié)果可得，優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的氣隙磁密波形比傳統(tǒng)“一”字型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的氣隙波形更接近于正弦波，相應(yīng)的基波諧波含量、三次諧波含量以及高次諧波含量都有所減小，氣隙磁密波形正弦畸變率也有所減小.由此可以看出諧波得到了有效抑制.

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(責(zé)任編輯：景 勇 英文審校：尹淑英)

Optimizationmethodforwaveformqualityofpermanentmagnetsynchronousmotorforelectricvehicles

ZHANG Bing-yi1, ZHANG Xiao-ting1, JIANG Shan-shan2

(1. School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. Department of Research and Development, Tangshan Pulinyiwei Science and Technology Co.Ltd., Tangshan 063000, China)

In order to improve the quality of electric vehicles and control the vibration and noise of permanent magnet synchronous motor, a new optimization method for air gap flux density waveform was proposed on the basis of the study on the relationship between both no-load air gap flux density waveform and rotor magnetic body structure of built-in permanent magnet synchronous motor. The distribution of flux density in space for a single magnetic pole was inhomogeneous under the uniform air gap. A novel “M-shape” rotor structure was designed, a finite-element analytical model for the permanent magnet synchronous motor with “M-shape” rotor structure was established, and the finite-element analysis was carried out. The results show that the air gap flux density waveform of“M-shape” rotor structure is close to the sine wave, the harmonic wave content of each component in the space of air gap flux density obviously reduces, the sinusoidal distortion rate of air gap flux density waveform also decreases, and the harmonic wave gets effectively suppressed.

electric vehicle; permanent magnet motor; vibration and noise; air gap flux density; inhomogeneous distribution; optimization of waveform quality; rotor structure; finite element analysis

TM 351

： A

： 1000-1646(2017)05-0481-05

2017-06-21.

國家自然科學(xué)基金資助項目(60424004)； 教育部重大項目培育基金資助項目(708027).

張炳義(1954-)，男，遼寧沈陽人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事特種電機(jī)及控制等方面的研究.

* 本文已于2017-08-01 12∶35在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170801.1235.024.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.05.01