轉(zhuǎn)子斜極對(duì)永磁輪轂電機(jī)性能影響的研究

趙 玫,陳江岸,張?jiān)屏?劉亞帥

(1. 威海廣泰空港設(shè)備股份有限公司,威海 264200; 2.魯東大學(xué),煙臺(tái) 264025)

0 引 言

在新舊能源加速轉(zhuǎn)換的當(dāng)下，汽車動(dòng)力從內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榧惺降碾婒?qū)動(dòng)，未來將逐步發(fā)展為輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)。輪轂電機(jī)技術(shù)將車輪與電機(jī)整合到一起，省去差速器和傳動(dòng)軸等傳統(tǒng)汽車的傳動(dòng)裝置，真正實(shí)現(xiàn)能源的高效利用與車輛成本的有效較少。

文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)出外轉(zhuǎn)子容錯(cuò)永磁同步輪轂電機(jī)，將每個(gè)輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)為多個(gè)子電機(jī)配合工作，同時(shí)設(shè)計(jì)出異型混合電機(jī)，滿足整個(gè)運(yùn)行工況高效率運(yùn)行。文獻(xiàn)[2]對(duì)永磁開關(guān)磁鏈電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行斜極處理，分析不對(duì)稱徑向力、齒槽轉(zhuǎn)矩和反電動(dòng)勢(shì)在轉(zhuǎn)子斜極后的變化情況，找到最佳斜極角度。文獻(xiàn)[3]針對(duì)雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的問題，對(duì)8極12槽外轉(zhuǎn)子雙凸極電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行斜槽處理，通過有限元分析斜槽對(duì)轉(zhuǎn)矩與反電動(dòng)勢(shì)的影響，最終達(dá)到優(yōu)化電機(jī)性能的目的。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種12/8極電勵(lì)磁雙凸極輪轂電機(jī)，在氣隙磁密、磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)等方面進(jìn)行有限元仿真，得出其空載特性。文獻(xiàn)[5]為了研究不同繞組形式對(duì)電機(jī)性能的影響，設(shè)計(jì)了分?jǐn)?shù)槽繞組電機(jī)與整距繞組電機(jī)，通過有限元計(jì)算出不同結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)磁密和反電動(dòng)勢(shì)以及齒槽轉(zhuǎn)矩等方面的影響，得出在極對(duì)數(shù)合適的前提下，分?jǐn)?shù)槽繞組的電機(jī)結(jié)構(gòu)能有效減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，優(yōu)化電機(jī)性能。上述研究表明，設(shè)計(jì)出供車輛使用的高性能輪轂電機(jī)，是目前電機(jī)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。為提高電機(jī)性能，需要在電磁設(shè)計(jì)方面考慮有較小的齒槽轉(zhuǎn)矩以及較接近正弦波的反電動(dòng)勢(shì)。

本文針對(duì)機(jī)場(chǎng)擺渡車，設(shè)計(jì)一臺(tái)額定功率60 kW，額定轉(zhuǎn)矩2 500 N·m的外轉(zhuǎn)子表貼式永磁輪轂電機(jī)，較好地滿足機(jī)場(chǎng)擺渡車運(yùn)行速度低、運(yùn)行穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。首先給出電機(jī)的基本參數(shù)尺寸，其次利用有限元軟件計(jì)算了電機(jī)的空載特性和負(fù)載特性，最后分析永磁體斜極對(duì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩、反電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的影響，綜合得出電機(jī)最優(yōu)尺寸。

1 永磁輪轂電機(jī)主要尺寸

機(jī)場(chǎng)擺渡車用輪轂電機(jī)需要在高溫下運(yùn)行，通常定子繞組溫度能達(dá)到200 ℃，轉(zhuǎn)子外殼溫度可達(dá)160 ℃。同時(shí)電機(jī)在轉(zhuǎn)速較低情況下要提供較大轉(zhuǎn)矩，并且要有較強(qiáng)過載能力，因此電機(jī)選擇直接將轉(zhuǎn)子安裝在車圈上的外轉(zhuǎn)子表貼式結(jié)構(gòu)[6]。綜合考慮電機(jī)在機(jī)場(chǎng)擺渡車車輪中的應(yīng)用，基本電機(jī)尺寸如表1所示。

2 永磁輪轂電機(jī)有限元計(jì)算

2.1 空載特性分析

圖1為空載時(shí)磁密云圖，時(shí)間為一個(gè)電周期。電機(jī)整體結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)嚴(yán)重飽和部分，只有定子齒尖有一定的飽和現(xiàn)象，齒尖少數(shù)部分的飽和對(duì)電機(jī)性能影響較小。圖2為氣隙的徑向磁密波形。磁密波形近似于方波，磁密最大達(dá)到0.81 T。在模型中，以圓心到定子齒長(zhǎng)和定子軛厚度的一半為半徑分別建立路徑，得到定子齒部與定子軛部的磁密，如圖3和圖4所示。從圖3、圖4中可以看出，定子齒部磁密最大值達(dá)到1.32 T，定子軛部磁密最大值為0.96 T，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 空載特性下的磁密云圖

圖2 氣隙磁密波形

圖3 定子齒部磁密圖

圖4 定子軛部磁密圖

圖5給出了空載條件下的三相繞組線電動(dòng)勢(shì)波形，線電動(dòng)勢(shì)幅值在280 V左右。圖6給出了齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖，從圖6中可以看出，一個(gè)電周期的波動(dòng)次數(shù)為66次，波動(dòng)幅值為0.45 N·m，波動(dòng)幅值較小。

圖5 空載線電動(dòng)勢(shì)波形

圖6 齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖

2.2 負(fù)載特性分析

定子繞組通入180 A電流時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖7所示。電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值為76 N·m，波動(dòng)幅度較大，同時(shí)平均轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩2 500 N·m， 電機(jī)各部分除齒尖外沒有出現(xiàn)飽和。圖8給出此時(shí)的線電動(dòng)勢(shì)波形，可得線電動(dòng)勢(shì)幅值達(dá)到335 V。

圖7 額定轉(zhuǎn)矩波形

圖8 三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形

當(dāng)定子繞組通入425 A電流，得到此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩波形，如圖9所示，此時(shí)達(dá)到最大輸出轉(zhuǎn)矩5 250 N·m，波動(dòng)幅值達(dá)到170 N·m，波動(dòng)幅值較大。圖10為通入425 A電流的線電動(dòng)勢(shì)波形，幅值接近410 V，沒有超過最大電壓。圖11為電磁轉(zhuǎn)矩平均值隨電流變化曲線。從圖11中可以看出，隨著電流的增大，電磁轉(zhuǎn)矩近似呈線性增長(zhǎng)。

圖9 最大輸出轉(zhuǎn)矩波形

圖10 三相感應(yīng)電勢(shì)波形

圖11 電磁轉(zhuǎn)矩平均值隨電流變化曲線

3 永磁輪轂電機(jī)性能的優(yōu)化

機(jī)場(chǎng)擺渡車屬于地面服務(wù)特種車輛，每次承載乘客較多，為了使乘客有舒適的乘車體驗(yàn)并感受到優(yōu)質(zhì)的服務(wù)水平，對(duì)車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性要求較高[7]。由于齒槽轉(zhuǎn)矩是造成電機(jī)波動(dòng)的主要因素，因此提高擺渡車性能，需要對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行抑制?？蛰d反電動(dòng)勢(shì)同樣影響永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能。通常永磁電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)含有高次諧波，導(dǎo)致波形偏離正弦波，降低控制精度，增加損耗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，造成電機(jī)效率下降。因此，削弱電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)中的諧波對(duì)提高電機(jī)的性能具有重要的意義。

3.1 斜極對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

在引入斜極之后，電機(jī)靜態(tài)特性發(fā)生變化，電機(jī)軸向的不同截面的磁場(chǎng)分布是不同的，數(shù)值計(jì)算模型原則上采用三維模型。但三維電磁場(chǎng)分析時(shí)間較長(zhǎng)，占用計(jì)算資源較大，因此仍傾向使用二維數(shù)值模型，通過分段計(jì)算法進(jìn)行分析[2-3]。

其思路是沿電機(jī)軸向平均分成若干段，并把每段假設(shè)為一個(gè)電機(jī)，取其二維截面，從而將每段都作為二維模型處理，每一段的電磁場(chǎng)垂直于電機(jī)軸向，矢量磁位只有軸向分量。永磁體的斜極模型如圖12所示。

圖12 永磁體斜極模型

圖13為不同永磁體傾斜角度下的齒槽轉(zhuǎn)矩波形，圖14為齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值隨永磁體傾斜角度的變化曲線。從圖14中可以看出，當(dāng)傾斜角度α為4°時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值較小；當(dāng)傾斜角度α為3°時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值較大，達(dá)到0.902 N·m。最大波動(dòng)幅值與最小波動(dòng)幅值相差0.453 N·m?？梢?，永磁體斜極對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響較小。

圖13 不同永磁體傾斜角度下齒槽轉(zhuǎn)矩波形

圖14 波動(dòng)幅值隨永磁體傾斜角度的變化曲線

3.2 斜極對(duì)反電動(dòng)勢(shì)的影響

為了更清晰地分析斜極對(duì)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的影響，本文定義空載反電動(dòng)勢(shì)非正弦度系數(shù)αE，其在數(shù)值上等于反電動(dòng)勢(shì)各諧波幅值的絕對(duì)值之和與基波幅值之比。

(1)

電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)中主要是6次諧波，為了減小波動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)性能的影響，這里首先定義波動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)αT6:

αT6=

需要說明的是，上述公式推導(dǎo)忽略了電樞反應(yīng)對(duì)波動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響，即不考慮定子磁鏈所產(chǎn)生的波動(dòng)轉(zhuǎn)矩以及忽略磁場(chǎng)飽和對(duì)波動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)主要是由反電動(dòng)勢(shì)和電流的各次諧波相互作用產(chǎn)生的，而本文接下來只對(duì)由反電動(dòng)勢(shì)5次和7次諧波所引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)展開研究，關(guān)于由電流諧波造成的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和高于6次諧波引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)不予考慮。

因此，反電動(dòng)勢(shì)非正弦度系數(shù)式(1)和波動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)式(2)可以簡(jiǎn)化:

(3)

反電動(dòng)勢(shì)隨傾斜角度變化結(jié)果如圖15所示。可以看出，不同傾斜角度時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)的幅值和相位都發(fā)生了明顯變化。

圖15 不同永磁體傾斜角度下反電動(dòng)勢(shì)波形

通過對(duì)反電動(dòng)勢(shì)傅里葉分解，得到反電動(dòng)勢(shì)各次諧波隨永磁體傾斜角度的變化情況，如圖16所示。表2分別給出了在不同永磁體傾斜角度下反電動(dòng)勢(shì)基波幅值、波動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)和非正弦度系數(shù)的對(duì)比結(jié)果?？芍措妱?dòng)勢(shì)基波隨永磁體傾斜角度的增加逐漸減小；當(dāng)傾斜角度為4°時(shí)波動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)最小，與最大值相差較大；隨著傾斜角度的增加，非正弦度系數(shù)呈逐漸下降的趨勢(shì)。

圖16 反電動(dòng)勢(shì)各次諧波隨永磁體傾斜角度的變化情況

傾斜角度α/(°)03°4°5°6°基波E1/V161.676 8153.486 7150.271 9146.364 9141.686 8波動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)αT0.008 3980.001 2650.000 1180.000 5030.000 217非正弦度系數(shù)αE0.056 1440.049 5270.049 3950.048 6160.045 855

3.3 斜極對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響

當(dāng)電機(jī)通入300 A電流時(shí)，得到不同永磁體傾斜角度下電磁轉(zhuǎn)矩在一個(gè)電周期內(nèi)的波形圖，如圖17所示。從圖17中可以看出，隨永磁體傾斜角度的增大，電磁轉(zhuǎn)矩幅值明顯下降。圖18為電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值隨傾斜角度的變化曲線?？梢钥闯觯睒O對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)具有明顯的抑制效果，但當(dāng)傾斜角度大于5°時(shí)，斜極對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的抑制效果明顯減弱；同時(shí)，隨著傾斜角度的增大，電磁轉(zhuǎn)矩幅值下降較快。因此，對(duì)電機(jī)進(jìn)行斜極設(shè)置時(shí)，傾斜角度不能太大。為此，本文最終選取永磁體傾斜角度為4°，既保證電磁轉(zhuǎn)矩足夠大，又保證轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值較小。

圖17 不同永磁體傾斜角度下電磁轉(zhuǎn)矩波形

圖18 電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值隨傾斜角度的變化曲線

4 結(jié) 語

本文根據(jù)機(jī)場(chǎng)擺渡車的應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出30極99槽永磁同步輪轂電機(jī)，主要完成了以下4方面工作。

(1) 為了使永磁同步輪轂電機(jī)滿足機(jī)場(chǎng)擺渡車的性能要求，通過有限元軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電機(jī)進(jìn)行了空載特性與負(fù)載特性分析。

(2) 通過有限元軟件計(jì)算了轉(zhuǎn)子斜極對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，得出當(dāng)永磁體傾斜角度為4°時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩幅值最小。

(3) 通過有限元軟件計(jì)算了轉(zhuǎn)子斜極對(duì)反電動(dòng)勢(shì)的影響，得出反電動(dòng)勢(shì)基波幅值隨著傾斜角度的增加而下降。波動(dòng)轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨著永磁體傾斜角度的增加逐漸減小，當(dāng)傾斜角度為6°時(shí)，非正弦度系數(shù)最小。

(4) 通過有限元軟件計(jì)算了轉(zhuǎn)子斜極對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響，最終本文選取永磁體斜極4°作為所設(shè)計(jì)的永磁輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)子斜極的最佳角度。