不同極槽配合對車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能分析

張兆峰，趙振奎，江鄭龍, 呂揚(yáng)琳

（1.上汽大通汽車有限公司，上海 200438；2.上海眾聯(lián)能創(chuàng)新能源科技股份有限公司，上海 200438；3.上海賽灣化工有限公司，上海 201615）

引言

永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，被越來越廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)器人、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域[1-3]。伴隨著汽車快速的發(fā)展，環(huán)境污染和能源消耗成為當(dāng)今社會(huì)的兩大問題，大規(guī)模生產(chǎn)電動(dòng)汽車必將成為汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢[4]。然而永磁同步電機(jī)在汽車領(lǐng)域中最有優(yōu)勢，必然成為車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展方向。

由于車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求越來越高，如：效率高、齒槽轉(zhuǎn)矩小、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、振動(dòng)噪音小等要求，因此在設(shè)計(jì)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，選擇合適的極槽配合對車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能有著較大的影響[6]。目前國內(nèi)外對分?jǐn)?shù)槽永磁同步電機(jī)的研究比較多，但是針對同一款車用電機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)去分析不同極槽配合還是較少。本文以一臺(tái)額定功率為20KW、額定轉(zhuǎn)速為 3500rpm，自然風(fēng)冷為例，在同電壓、同材料、同定子外徑下，分析36槽6極、36槽8極、48槽8極結(jié)構(gòu)，進(jìn)行仿真分析對比，提出合適的結(jié)構(gòu)方案對后續(xù)開發(fā)者提供參考依據(jù)。

1 車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)指標(biāo)

1.1 主要性能參數(shù)

車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能指標(biāo)如表1所示。根據(jù)性能指標(biāo)，選擇了36槽6極、36槽8極、48槽8極三種極槽配合。

表1 車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能指標(biāo)

1.2 繞組形式

單層繞組嵌線比較方便，且沒有層間絕緣，故槽內(nèi)空間的利用率較高；由于常用的單層繞組的短矩系數(shù)等于 1，因此磁場波形較差，高次諧波磁場較強(qiáng)。雙層繞組槽內(nèi)需設(shè)置層間絕緣，因此槽內(nèi)空間的利用率較低，但可以采用短矩繞組，選擇合適的短距系數(shù)，使高次諧波磁場削弱，來改善電動(dòng)勢和磁動(dòng)勢的波形，并且有利于散熱和增加機(jī)械強(qiáng)度[4]。本文繞組方式選用雙層繞組。

1.3 齒槽轉(zhuǎn)矩

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)的固有特性。永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩是電機(jī)繞組不通電時(shí)永磁體和鐵心之間相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，是由永磁體與電樞齒之間相互作用力的切向分量引起的[3]。

齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)引起永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致速度波動(dòng)；也會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，當(dāng)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的頻率與電樞電流諧振頻率一致時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振，勢必會(huì)放大齒槽轉(zhuǎn)矩的振動(dòng)和噪聲；嚴(yán)重影響電機(jī)的定位精度和伺服性能，尤其在低速時(shí)影響更為嚴(yán)重[5]。在車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)中，對電機(jī)的振動(dòng)噪聲要求越來越高，因此有必要削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，降低振動(dòng)噪音。

齒槽轉(zhuǎn)矩是周期性變化的，變化的周期數(shù)取決于極數(shù)和槽數(shù)配合。根據(jù)齒槽轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式可以看出，周期數(shù)(為極數(shù)、槽數(shù)和極數(shù)最大公約數(shù)的比值)越多，齒槽轉(zhuǎn)矩越小。本文36槽6極、36槽8極、48槽8極結(jié)構(gòu)的周期數(shù)分別為1、2、1；初步判斷36槽8極結(jié)構(gòu)的齒槽轉(zhuǎn)矩小，即分?jǐn)?shù)槽可以有效削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。

1.4 諧波分析

當(dāng)交流繞組與磁場有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，在繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢；當(dāng)交流繞組中流過電流時(shí)，在繞組周圍將產(chǎn)生磁場。磁場的波形往往是非正弦的周期函數(shù)，除了正弦波形的基波還有一系列的諧波[4]。由于諧波會(huì)引起損耗增大、效率降低、溫升增高，從而降低了電機(jī)的性能。因此在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)必須盡可能的削弱電動(dòng)勢中的高次諧波。削弱電動(dòng)勢的諧波方法很多，其中包括選擇合適的極槽配合。

2 車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)有限元分析

根據(jù)上述的性能參數(shù)和理論分析，對不同極槽配合的電磁方案進(jìn)行有限元計(jì)算，通過空載和負(fù)載下分析齒槽轉(zhuǎn)矩、反電動(dòng)勢諧波、轉(zhuǎn)矩、損耗、效率等。本文采用單元電機(jī)模型，簡化計(jì)算模型。建立2D單元電機(jī)仿真模型，如圖1所示。

圖1 單元電機(jī)模型

2.1 空載特性

2.1.1 空載磁密云圖和磁力線

圖2 磁密云圖和磁力線

在空載下通過查看磁力線，可以初步判斷電機(jī)的磁路是否正確，電機(jī)的充磁方向以及繞組繞線是否正確，并可以看出漏磁通多少。在設(shè)計(jì)中盡量減少漏磁通，增加主磁通，提高電機(jī)性能。通過空載磁密云圖，可以看出定子、轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)磁密都在正常范圍內(nèi)，只有在轉(zhuǎn)子軛部隔磁橋上磁密較大，達(dá)到了2.2T，趨近于飽和狀態(tài)。然而在轉(zhuǎn)子軛部隔磁橋處飽和，可以阻止磁路，減少漏磁通，是有利于電機(jī)性能，其中隔磁橋長度需要綜合考慮機(jī)械強(qiáng)度及對電磁性能的影響來選擇尺寸。如圖2所示。

2.1.2 齒槽轉(zhuǎn)矩

如圖3所示為36槽6極、36槽8極、48槽8極三種方案兩個(gè)周期的齒槽轉(zhuǎn)矩圖。三種方案的齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值分別為6Nm，0.287Nm，7.23Nm，分別各占額定轉(zhuǎn)矩的11%，0.5%，13%。通過計(jì)算可以得出36槽8極的齒槽轉(zhuǎn)矩小。齒槽轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化可以減少電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、振動(dòng)噪音，運(yùn)行穩(wěn)定。

圖3 齒槽轉(zhuǎn)矩圖

2.1.3 氣隙磁密和反電動(dòng)勢

圖4 氣隙磁密

通過有限元軟件分析得到空載下的氣隙磁密、反電動(dòng)勢波形和各次諧波幅值，如圖4、5、6所示。通過圖4可以看出，氣隙磁密波形出現(xiàn)了“尖峰”、“凹谷”，不平滑，正弦性比較差，諧波含量較大。36槽6極和36槽8極的氣隙磁密波形比48槽8極的氣隙磁密波形接近正弦波。通過圖5、圖6可以看出，48槽8極的正弦性比其他兩種方案好，諧波次數(shù)含量也小。36槽6極、36槽8極和48槽8極三種方案經(jīng)過傅里葉變化得到正弦波形畸變率分別為6%、3.8%、1.6%。通過上述分析，選擇合適的極槽配合可以改善氣隙磁密、反電動(dòng)勢波形，有利于改善電機(jī)空載特性。

圖5 反電動(dòng)勢波形

圖6 反電動(dòng)勢諧波圖

2.2 負(fù)載特性

通過激勵(lì)電壓源加載，設(shè)置功率角，通過有限元計(jì)算出額定轉(zhuǎn)矩及峰值轉(zhuǎn)矩，如圖7、8所示。通過圖7、8可以看出，36槽8極比36槽6極、48槽8極的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，說明36槽8極極槽配合好。

圖7 額定轉(zhuǎn)矩圖

圖8 峰值轉(zhuǎn)矩圖

3 結(jié)論

基于電機(jī)理論和電磁場仿真分析，對三種極槽配合的車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)計(jì)算，做出對比表如表2所示。

表2 性能對比表

通過表2數(shù)據(jù)對比可知：

基于同電壓、同材料、同定子外徑下，三種極槽配合的方案基本滿足了設(shè)計(jì)要求。由于極槽配合的不同，在空載反電動(dòng)勢、齒槽轉(zhuǎn)矩，損耗會(huì)有些差異，其中分?jǐn)?shù)槽的齒槽轉(zhuǎn)矩、損耗和效率比其它兩種方案好點(diǎn)。因此在車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)中，要綜合考慮極槽配合，選擇合適的極槽配合來設(shè)計(jì)電機(jī)。