電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)分析

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(中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西永濟(jì) 044502)

0 引言

電動(dòng)汽車以電能為動(dòng)力能源，具有零排放、低噪聲和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，可以減小汽車尾氣對城市空氣污染。 因此，電動(dòng)汽車的研發(fā)與推廣受到世界各國政府的高度重視[1]。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、 效率高、 弱磁調(diào)速性能優(yōu)良等一系列優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車牽引電機(jī)行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛[2]。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行工況復(fù)雜多變，對于電動(dòng)汽車的起動(dòng)、加速、負(fù)荷爬坡等工況考慮，要求電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)能夠提供大轉(zhuǎn)矩；對于最高車速和超車工況要求，要求電機(jī)在基速以上運(yùn)行時(shí)具有較為寬廣的恒功率運(yùn)行區(qū)間，也就是要求電機(jī)具有良好的弱磁擴(kuò)速能力。并且要有高過載能力，以及較好的動(dòng)態(tài)速度和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)效率最優(yōu)，損耗低，減少車載電池電能消耗，提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程，降低對車載電源的蓄電量的要求。

為了滿足低速大扭矩和高速恒功率區(qū)弱磁調(diào)速范圍寬的要求，在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，必須從電動(dòng)汽車對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能要求出發(fā)，結(jié)合永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用場路結(jié)合設(shè)計(jì)的方法對電磁負(fù)荷、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、繞組型式以及尺寸等做合理的設(shè)計(jì)。盡量提高內(nèi)置式永磁同步電機(jī)交軸電感Lq參數(shù)值，增大凸極率，充分利用由交、 直軸磁路不對稱產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩提高電機(jī)的過載能力和功率密度。合理確定額定轉(zhuǎn)速時(shí)的永磁同步電機(jī)的空載反電勢數(shù)值以匹配有限的逆變器直流側(cè)電壓所引起的電流調(diào)節(jié)器的飽和特性，擴(kuò)大高速恒功運(yùn)行弱磁擴(kuò)速能力。

1 性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文闡述的一款新能源汽車驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)采用鑄鋁機(jī)座和端蓋，冷卻方式為機(jī)座水冷。其主要性能參數(shù)表1所示。

表1 主要性能參數(shù)

永磁同步電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同分為表面貼裝式永磁同步電機(jī)(SPMSM)與內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(IPMSM)。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(IPMSM)又分為“一”字型、“V”字型、“U”字型、多層“U”型。如圖1所示。

圖1永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)特點(diǎn)，對永磁體表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對比見表2。

表2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對比

由于該電機(jī)設(shè)計(jì)要求中電機(jī)的弱磁擴(kuò)速比為3.15，考慮到表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)弱磁擴(kuò)速能力不強(qiáng)，所以采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，而不采用表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。對于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，“U”字型，多層“U”型加工制造難度大，而內(nèi)置式“V”字型比內(nèi)置式“一”字型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)有更高的凸極率及更強(qiáng)的聚磁效應(yīng)。為了提高凸極比以增強(qiáng)電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力和高速下轉(zhuǎn)矩輸出能力，本文采用“V”型內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。極對數(shù)的選取主要考慮電機(jī)的尺寸和損耗的要求。極對數(shù)多有利于減小電機(jī)軛部尺寸，但是與此同時(shí)會(huì)增加電機(jī)工作的電頻率，增大鐵芯損耗和變頻器開關(guān)損耗，增加成本。通過合理選擇分布和短距系數(shù)，整數(shù)槽分布式繞組結(jié)構(gòu)可以有效抑制諧波電動(dòng)勢。該電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為 3000rpm，由永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系可知，取極對數(shù)為 6時(shí)，其最高頻率為 150Hz，該電機(jī)選用的極槽組合為 12 極 72 槽，選用整數(shù)槽分布式繞組，并采用短距繞組和定子鐵心斜槽使反電勢波形更加正弦化，從而減小齒槽轉(zhuǎn)矩、反電勢諧波和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高電機(jī)電磁性能。

初步參數(shù)確定后，采用場路結(jié)合的方法對該電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并優(yōu)化，最終確定的該電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 仿真分析

本文設(shè)計(jì)采用了 ANSYS Maxwell 2D 軟件對電機(jī)性能進(jìn)行有限元分析。它包括電場、靜磁場、渦流場合瞬態(tài)場等分析模塊，可計(jì)算力、轉(zhuǎn)矩、電感和損耗等，并且還可以通過強(qiáng)大的計(jì)算結(jié)果后處理功能，繪制磁力線和磁場強(qiáng)度的分布，給電機(jī)設(shè)計(jì)與分析帶來諸多便利。根據(jù)電機(jī)主要尺寸在 Maxwell 建立 2D 模型以驗(yàn)證電磁方案的準(zhǔn)確性。由于電機(jī)具有對稱結(jié)構(gòu)，為了減小計(jì)算量和運(yùn)行時(shí)間，只用畫出十二分之一模型，并把邊界條件設(shè)定為奇對稱主從邊界條件。

2.1 靜態(tài)電磁場仿真采

用ANSYS Maxwell 2D有限元進(jìn)行電磁場計(jì)算的靜態(tài)磁密云圖，如圖 2 所示。其各部位磁密與磁路計(jì)算數(shù)值相符?？蛰d氣隙磁密波形如圖3所示，并對空載氣隙磁密進(jìn)行FFT變換，獲得各次諧波賦值圖如圖4所示。

圖2磁密云圖和磁力線分布

圖3空載氣隙磁密波形

圖4空載氣隙磁密諧波分析

2.2 空載反電勢計(jì)算

為了準(zhǔn)確計(jì)算考慮交叉耦合、以及飽和作用對電機(jī)性能以及電機(jī)參數(shù)的影響，對樣機(jī)進(jìn)行了有限元瞬態(tài)電磁場計(jì)算。通過瞬態(tài)求解器，以額定轉(zhuǎn)速 950 r /min 驅(qū)動(dòng)方式，計(jì)算出該電機(jī)繞組的空載線反電勢有效值約為212.87Vrms，樣機(jī)定子三相繞組的空載反電勢波形如圖 5 所示。

圖5空載線反電勢波形

2.3 負(fù)載仿真

根據(jù)永磁同步電機(jī)dq軸數(shù)學(xué)模型，內(nèi)置式永磁同步電機(jī)由逆變器供電時(shí)，其端電壓方程和電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下。

(1)

(2)

式中，Rs—電機(jī)定子相電阻；Ld、Lq—電機(jī)定子d、q軸電感；φf—永磁磁鏈；Pn—電機(jī)極對數(shù)；id、iq—永磁同步電機(jī)定子電流在d、q軸上的分量；β—定子電樞電流id超前q軸的電角度，為電流控制角。根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA) 控制特性，電流大小一定，改變?chǔ)陆?，有一個(gè)最佳的β可以使得電機(jī)在一定的定子電流下獲得最大輸出轉(zhuǎn)矩。本文對定子輸入電流is和定子電樞電流is超前于q軸的電角度β進(jìn)行參數(shù)化掃描分析，確定額定轉(zhuǎn)矩時(shí)的定子輸入電流is為227.9Arsm和β為27°。對該電機(jī)進(jìn)行帶載驅(qū)動(dòng)瞬態(tài)電磁場計(jì)算，設(shè)定額定負(fù)載1005Nm，初始轉(zhuǎn)速950r/min。計(jì)算出該電機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)的負(fù)載飽和磁場，由于電機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電樞電流和永磁體共同作用，使得負(fù)載時(shí)氣隙磁密波形明顯增大，輸入電流為227.9Arsm，β為27°時(shí)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖6所示，輸入電流波形如圖7所示。

圖6 額定轉(zhuǎn)矩波形

圖7 額定轉(zhuǎn)矩輸入電流波形

本文對峰值工況的定子輸入電流is和定子電樞電流is超前于q軸的電角度β進(jìn)行參數(shù)化掃描分析，確定峰值電流和最佳電流控制角。對該電機(jī)進(jìn)行峰值工況帶載驅(qū)動(dòng)瞬態(tài)電磁場計(jì)算，設(shè)定峰值負(fù)載2800Nm，初始轉(zhuǎn)速682r/min。通過負(fù)載場計(jì)算，得到帶峰值負(fù)載時(shí)定子繞組的電流波形圖如圖8所示。輸入電流為705Arsm電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖9所示。

圖8 額定轉(zhuǎn)矩波形

對該電機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)特性計(jì)算，恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)域采用最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA)控制，當(dāng)電機(jī)端電壓達(dá)到逆變器最高輸出電壓ulim后，采用弱磁控制。下面列出額定工況時(shí)整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)該電機(jī)特性，如表4所示。

表4 額定工況特性

2.4 效率MAP計(jì)算

效率MAP圖，又稱等高線圖或云圖，主要是反應(yīng)在不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩下驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率的分布情況。通過電機(jī)參數(shù)的適當(dāng)調(diào)整可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)高效區(qū)在整個(gè)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的分布情況，從而使驅(qū)動(dòng)電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)效率最優(yōu)，損耗最低，減少車載電池電能消耗，提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程。本文對該電機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍進(jìn)行效率計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。由效率MAP可知，該電機(jī)在轉(zhuǎn)速600rpm～2400rpm且負(fù)載率大于50%的情況下，效率大于93%。此區(qū)域該電機(jī)運(yùn)行的高效運(yùn)行區(qū)域。

圖10 效率MAP圖

3 樣機(jī)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證樣機(jī)設(shè)計(jì)與電磁場計(jì)算分析的準(zhǔn)確性，本文對所研制的100kW電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)測試，實(shí)測空載反電勢有效值為210V，比有限元計(jì)算值212.87V稍微偏小。額定轉(zhuǎn)矩時(shí)的輸入電流和峰值轉(zhuǎn)矩時(shí)的輸入電流也與計(jì)算值基本吻合。樣機(jī)部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比如表5所示。

表5 樣機(jī)部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本文研究 “V” 型內(nèi)置式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，結(jié)合電機(jī)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)要求，通過場路結(jié)合計(jì)算方法設(shè)計(jì)出一款額定輸出功率為100kW的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)，并完成了樣機(jī)加工與試驗(yàn)測試工作，有限元仿真分析時(shí)考慮轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速以內(nèi)為最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA) 控制，轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速以上為弱磁控制進(jìn)行電機(jī)特性仿真。樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，有限元仿真分析與電機(jī)在空載工況、額定帶載工況及過載工況數(shù)據(jù)的實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合。

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