永磁輪轂電機內(nèi)嵌V型磁路結(jié)構(gòu)分析

徐進彬，張學義，耿慧慧

(山東理工大學，淄博 255000)

0 引 言

驅(qū)動電機是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件，目前電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)主要采用的是驅(qū)動電機-驅(qū)動橋組合式布置形式。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，這種驅(qū)動形式在操控性能和驅(qū)動效率方面提升有限。輪轂電機分散驅(qū)動方式可以直接驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)而無需復雜的傳動系統(tǒng)，能大幅提高傳動效率[1-2]。簡化的動力系統(tǒng)有利于提升電動汽車可利用空間，實現(xiàn)更好的輕量化設(shè)計，增加電動汽車續(xù)駛里程。而且線控動力系統(tǒng)可以靈活分配汽車兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，通過多個輪轂電機協(xié)同驅(qū)動可以提高汽車的操控性能。

永磁電動機具有能量轉(zhuǎn)換效率高、弱磁調(diào)速性能好、轉(zhuǎn)矩輸出能力強和可靠性高等優(yōu)點[3]，在新能源汽車領(lǐng)域得到了較快發(fā)展。磁鋼內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)的永磁驅(qū)動電機多出現(xiàn)在常規(guī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子電動機上，在外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的輪轂電機方面研究應用較少。目前，電動汽車驅(qū)動電機朝著高功率、高扭矩的方向發(fā)展，內(nèi)嵌V型磁路結(jié)構(gòu)中磁極的截面積遠大于氣隙的表面積，可以產(chǎn)生比磁鋼磁通密度更大的氣隙磁通密度，能有效提高驅(qū)動電機的功率密度和最大輸出扭矩，適合應用于需要低轉(zhuǎn)速、高扭矩輸出特性的輪轂電機。

1 磁鋼內(nèi)嵌式輪轂電機磁通分析

磁鋼內(nèi)嵌式輪轂電機主要由永磁轉(zhuǎn)子、定子、輪轂機殼、內(nèi)端蓋、外端蓋和電機軸等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。磁鋼內(nèi)嵌在轉(zhuǎn)子沖片的V型槽中，每一磁極由2塊磁鋼共同提供磁場，磁鋼的磁通經(jīng)過轉(zhuǎn)子鐵心進入氣隙，轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部通過設(shè)置隔磁氣隙使漏磁降至最小。

圖1 輪轂電機結(jié)構(gòu)示意圖

對永磁電機內(nèi)部磁路分析時可以將其看作由1個虛擬磁動勢、1個磁鋼內(nèi)磁導和多個外磁路磁導構(gòu)成[4]。由磁鋼產(chǎn)生的磁場在轉(zhuǎn)子鐵心、氣隙和定子鐵心內(nèi)形成多條閉合回路，與電樞反應縱軸分量相耦合的回路為有效磁通，其他回路為漏磁通。

1.1 有效磁通分析

磁鋼所產(chǎn)生的磁通回路不僅遵循磁阻最小原理，同時受一定結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子鐵心和定子鐵心最大導磁能力的制約[5]。因此，在定子、轉(zhuǎn)子不同的相對位置所產(chǎn)生的磁通回路有所不相同。當定子齒正對兩磁極中間位置時，部分有效磁通經(jīng)過相鄰定子齒形成回路，另一部分有效磁通跨過中間定子齒經(jīng)過間隔的定子齒形成回路，如圖2所示；當定子槽正對兩磁極中間位置時，有效磁通完全經(jīng)過相鄰的兩定子齒形成閉合回路，如圖3所示，此時磁路最短，有效磁通達到最大值。

圖2 定子齒正對兩磁極中間有效磁通回路

圖3 定子槽正對兩磁極中間有效磁通回路

1.2 漏磁通分析

對于內(nèi)嵌V型結(jié)構(gòu)的永磁電機來說，漏磁大部分發(fā)生在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部和定子齒之間的氣隙等位置。因為空氣的導磁能力遠小于矽鋼片的導磁能力，且定子齒留有一定的設(shè)計余量，不會發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，所以定子齒之間的漏磁可以忽略不計。在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，漏磁主要發(fā)生在兩片磁鋼之間的部分，漏磁導路徑如圖4所示。減少鐵心內(nèi)漏磁主要通過減小導磁截面積和延長磁路長度的辦法。本文中同極磁鋼之間采用五邊形隔磁氣隙，既能減少漏磁又可以起到磁鋼定位的作用；異極磁鋼之間采用三角形隔磁氣隙，隔磁氣隙之間保留1.5 mm間距，保證轉(zhuǎn)子鐵心有足夠的機械強度。

圖4 漏磁通路徑示意圖

1.3 磁路模型分析

運用等效磁路法，結(jié)合有效磁通和漏磁通路徑圖，建立內(nèi)嵌V型輪轂電機的磁路模型如圖5所示。

圖5 輪轂電機等效磁路圖

圖5中，F(xiàn)cn和Fcs分別是N極和S極磁鋼的等效磁動勢，F(xiàn)c=Hch，Hc為磁鋼的磁場強度，h為磁鋼充磁方向尺寸；Fad為電樞反應的縱軸分量；Gm1為磁鋼等效內(nèi)磁導；Gmδ1為磁鋼與轉(zhuǎn)子鐵心之間附加氣隙磁導；Gp為轉(zhuǎn)子鐵心極部磁導；Gδ為氣隙磁導；Gt為定子齒磁導；Gj為定子鐵心軛部磁導；Gj2為轉(zhuǎn)子鐵心軛部磁導；Gmσ1為每片磁鋼兩磁極之間磁導；Gmσ2為轉(zhuǎn)子鐵心上相鄰異性磁極之間的漏磁導；Gmσ3定子齒之間的漏磁導；Φr為磁極發(fā)出的總磁通；Φmσ1為磁鋼自身兩磁極之間的漏磁通；Φmσ2為經(jīng)過經(jīng)過轉(zhuǎn)子鐵心磁極部分的漏磁通；Φmσ3為氣隙間以及由定子齒部的漏磁通；Φmu為輪轂電機的有效磁通。

根據(jù)公式：

(1)

式中：μ1為導磁介質(zhì)的磁導率；S為導磁截面積；b為磁通經(jīng)過的路徑長度。

結(jié)合具體結(jié)構(gòu)參數(shù)可以簡單求解出有效磁通、漏磁通具體數(shù)值。

2 內(nèi)嵌V型結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)分析

永磁轉(zhuǎn)子采用內(nèi)嵌V型磁路結(jié)構(gòu)可以在有限的空間內(nèi)放置更多磁鋼，有助于提高永磁驅(qū)動電機的功率密度[6]。V型磁路的結(jié)構(gòu)參數(shù)對于電機的極弧系數(shù)和永磁磁鏈有較大影響，可以通過準確的計算和仿真分析基本確定各參數(shù)取值，V型磁路結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6中，e為磁鋼槽和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓最小間距，f為相鄰異極永磁鋼最小間距，k為永磁鋼寬度，h為磁鋼充磁方向厚度，β為同極磁鋼夾角。

圖6 內(nèi)嵌V型磁路結(jié)構(gòu)圖

為保證轉(zhuǎn)子鐵心有良好的隔磁效果和足夠的機械強度，e和f的取值范圍一般在1.2～1.8 mm。在轉(zhuǎn)子內(nèi)徑和極槽配合方案基本確定的情況下，磁鋼寬度k受同極磁鋼夾角β影響，β越小，k越大。因此，在內(nèi)嵌V型磁路結(jié)構(gòu)中，同極磁鋼夾角和磁鋼充磁方向厚度成為決定電機磁路結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)鍵，與永磁輪轂電機的氣隙磁通密度和齒槽轉(zhuǎn)矩等性能參數(shù)有密切關(guān)系。

氣隙磁通的大小和分布對電機的勵磁電流、剪切力、損耗等有很大影響。在磁鋼材料一定、隔磁橋設(shè)計合理的情況下，氣隙磁密的幅值受磁鋼充磁方向厚度h影響較大，氣隙磁密在空間內(nèi)的分布情況由同極兩片磁鋼之間夾角β決定。

永磁電動機中磁極與定子鐵心之間相互作用而產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩會引起輸出轉(zhuǎn)矩的脈動，使電機產(chǎn)生振動和噪聲，并對電機的控制精度產(chǎn)生不利的影響[7]。尤其對于低轉(zhuǎn)速、大扭矩的輪轂電機，過大的齒槽轉(zhuǎn)矩甚至會影響電機的正常運轉(zhuǎn)。對于永磁同步電動機，齒槽轉(zhuǎn)矩為定子繞組開路狀態(tài)時永磁場能量W相對于轉(zhuǎn)子位置角φ的負導數(shù)：

(2)

(3)

式中：μ0為真空導磁率，μ0=4π×10-7H/m；Br(θ)為磁鋼剩磁感應強度；δ(θ,φ)為有效氣隙長度，θ為轉(zhuǎn)子位置角。

通過對式(3)的分析可以看出，永磁場能量與磁鋼剩磁感應強度和磁鋼厚度有關(guān)，即磁鋼厚度的改變會導致電機齒槽轉(zhuǎn)矩的變化。

2.1 磁鋼夾角對性能參數(shù)的影響分析

在轉(zhuǎn)子尺寸和磁鋼充磁方向厚度相同的情況下，同極磁鋼夾角的變化會帶來磁鋼寬度和嵌入深度的改變。設(shè)置磁鋼夾角β為仿真模型變量參數(shù)，受轉(zhuǎn)子尺寸的限制，β變化范圍為80°～140°，得到電機氣隙磁通密度變化規(guī)律如圖7所示。數(shù)據(jù)表明，隨β的增大，氣隙磁通密度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最大氣隙磁通密度出現(xiàn)在磁鋼夾角為110°左右。

圖7 氣隙磁密隨磁鋼夾角變化規(guī)律

在磁鋼夾角小于110°時，磁鋼在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)嵌入較深，磁路出現(xiàn)局部飽和狀態(tài)，導致磁阻增大，降低了氣隙磁通密度。隨著磁鋼夾角變大，轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部導磁面積逐漸增大，磁路磁阻減小，氣隙磁通密度上升。當磁鋼夾角大于110°以后，磁路結(jié)構(gòu)趨近于表面嵌入式結(jié)構(gòu)永磁電機，氣隙磁密通密度略有減小。同時可以看出，因為沒有改變電機的極槽配合方案，氣隙中的諧波含量隨磁鋼夾角變化不大。

在定子繞組開路狀態(tài)下，仿真得到齒槽轉(zhuǎn)矩隨磁鋼夾角變化規(guī)律如圖8所示。對于內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的永磁電機，交軸磁路位于兩磁極之間的軸線位置。隨磁鋼夾角的增大，相鄰磁極之間的間距變小，交軸磁路磁阻增大，從整體來看齒槽轉(zhuǎn)矩隨磁鋼夾角變大而減小。

圖8 齒槽轉(zhuǎn)矩隨磁鋼夾角變化規(guī)律

2.2 充磁方向厚度對性能參數(shù)的影響分析

永磁電動機的直軸磁路磁阻主要由磁鋼充磁方向厚度決定，而磁鋼的導磁能力較弱，接近真空導磁率，因此磁鋼充磁方向厚度的變化會引起電機性能的改變。在保證其他尺寸參數(shù)相同的情況下，只改變磁鋼充磁方向厚度，仿真得到氣隙磁密和齒槽轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律如圖9和圖10所示。永磁磁場的能量隨磁鋼充磁方向厚度的增加而提高，氣隙磁通密度和齒槽轉(zhuǎn)矩也隨之升高。同時，直軸磁路磁阻也在變大，因此氣隙磁通密度的增幅越來越小。當磁鋼充磁方向厚度h大于5 mm以后，轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)出現(xiàn)局部磁通飽和現(xiàn)象，進一步增大了磁路磁阻，使氣隙磁通密度基本保持在1.17 T左右，齒槽轉(zhuǎn)矩略有減小。

圖9 氣隙磁密隨充磁方向厚度變化規(guī)律

圖10 齒槽轉(zhuǎn)矩隨充磁方向厚度變化規(guī)律

3 磁場分布及輸出特性仿真

通過對性能參數(shù)的分析可以得知，在磁鋼夾角為110°、充磁方向厚度5 mm時永磁輪轂電機綜合性能最為理想。建立該結(jié)構(gòu)的樣機模型，樣機參數(shù)如表1所示。

表1 樣機模型參數(shù)

利用有限元分析軟件對電機空載狀態(tài)下進行電磁仿真分析，得到的磁場磁力線走向圖、磁感應強度圖分別如圖11、圖12所示[8]。仿真結(jié)果表明，定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)磁力線走向趨于統(tǒng)一，盡管存在局部漏磁現(xiàn)象，但是因為隔磁氣隙的設(shè)置使相鄰磁鋼之間漏磁位置的磁通達到高度飽和狀態(tài)，實際通過的磁通量很小。對氣隙徑向磁密進行傅里葉分解，計算得到氣隙徑向磁密基波幅值的精確解為1.252 T，高于NTP33SH磁鋼的剩磁感應強度,證明內(nèi)嵌V型磁路結(jié)構(gòu)可以有效提高電機氣隙磁通密度。

圖11 磁力線分布圖

圖12 磁感應強度分布圖

定子繞組開路狀態(tài)下仿真得到電機的反電動勢波形和齒槽轉(zhuǎn)矩波動如圖13、圖14所示。由于磁鋼嵌入深度較淺，反電動勢波形為梯形波，數(shù)值略低于額定相電壓，有利于實現(xiàn)弱磁調(diào)速[9]，提高電機轉(zhuǎn)速范圍。最大齒槽轉(zhuǎn)矩約為2.8 N·m，對電機運行平順性影響不大，符合永磁輪轂電機設(shè)計要求。

圖13 反電動勢波形圖

圖14 齒槽轉(zhuǎn)矩波動圖

4 結(jié) 語

輪轂電機輸出的動力不經(jīng)過變速機構(gòu)減速増扭的過程，要求電機有較大的輸出扭矩峰值和較寬的高扭矩輸出范圍。本文經(jīng)過解析計算和仿真分析的結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子采用內(nèi)嵌V型永磁結(jié)構(gòu)可以有效提高永磁輪轂電機的氣隙磁通密度，改善反電動勢波形，有利于提高電機扭矩輸出性能。但是，磁場能量的提高也會帶來齒槽轉(zhuǎn)矩增大的負面作用。在設(shè)計轉(zhuǎn)子V型磁路結(jié)構(gòu)時，可以通過適當增加磁鋼夾角、減小充磁方向厚度來減小齒槽轉(zhuǎn)矩和反電動勢峰值，以增加恒功率調(diào)速階段扭矩輸出和弱磁調(diào)速能力，從而提高電機動力輸出平順性和調(diào)速能力。

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