不均勻氣隙齒頂對(duì)外轉(zhuǎn)子輪邊直驅(qū)電機(jī)性能影響

，，

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870)

0 引言

隨著日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，促進(jìn)低碳生活和節(jié)約社會(huì)的呼聲越來越高。在過去的兩年中，一些一線城市的空氣質(zhì)量在中國(guó)并不樂觀，純電動(dòng)汽車成為傳統(tǒng)燃料汽車的替代品，純電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)與開發(fā)是其主要的戰(zhàn)略方向。

在汽車工業(yè)的研究和發(fā)展領(lǐng)域，人們致力于開發(fā)低能耗、低排放和非傳統(tǒng)的能源消費(fèi)形式的交通工具。與傳統(tǒng)汽車相比，純電動(dòng)汽車擁有更加靈活的傳動(dòng)系統(tǒng)，傳動(dòng)效率大大提升，而且沒有有害氣體排放，成為了未來汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展必然趨勢(shì)近些年來很多公司將目光投向了電動(dòng)汽車的研究[1]。

輪邊直驅(qū)永磁同步電機(jī)具有效率高、功率密度大、省去變速器等很多優(yōu)點(diǎn)。因此，在車用電機(jī)的放置中，由于輪邊直驅(qū)電機(jī)有功率密度高等很多優(yōu)點(diǎn)。因此，在車用電機(jī)的放置中，由于輪邊直驅(qū)電機(jī)有功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的企業(yè)開始注重輪邊直驅(qū)電機(jī)的研究。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是電機(jī)的一種固有特性，會(huì)引起電機(jī)運(yùn)行的不平穩(wěn)，導(dǎo)致電機(jī)的噪音。因此，削弱電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)同時(shí)保證輸出轉(zhuǎn)矩有效值不變是優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。文獻(xiàn)[2]采用不均勻氣隙來改善電機(jī)性能。文獻(xiàn)[3]給出偏心距與定子內(nèi)徑、最小氣隙、最大氣隙、磁極跨距角之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。但這兩篇文章本文以一款額定功率為25kW輪邊直驅(qū)電機(jī)為例，針對(duì)電機(jī)振動(dòng)噪聲偏大的原因，提出降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的新方法。利用有限元軟件建立電機(jī)模型，并通過合理的定子齒頂偏心距使氣隙不均勻，降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及損耗，優(yōu)化電機(jī)氣隙磁密波形，使整體性能得到改善。

1 電機(jī)主要指標(biāo)以及尺寸

本文電機(jī)的主要尺寸以及技術(shù)指標(biāo)，如表1與表2所示。

表1 電機(jī)主要尺寸

表2 電機(jī)技術(shù)指標(biāo)

基于Maxwell建立該電機(jī)的二維模型，建模過程假設(shè)如下

(1)采用平面二維場(chǎng)進(jìn)行分析，忽略電機(jī)磁場(chǎng)的軸向變化；

(2)忽略鐵磁材料中的渦流損耗和磁滯損耗；

(3)磁場(chǎng)僅被限制在電機(jī)內(nèi)部，定子外部邊界認(rèn)為是零矢量等位線；

(4)電樞繞組連接方式為星型連接，極槽配合為20極24槽，跨距為1。同時(shí)對(duì)電機(jī)各個(gè)部分進(jìn)行剖分，使電機(jī)瞬態(tài)求解更加精確；

(5)利用自帶材料或自定義材料，給電機(jī)各部分添加材料。添加常用鐵心材料DW465，本文的磁鋼材料為釹鐵硼材料N38UH，剩磁為Br=1.23T，矯頑力為Hc=975kA/m。定子勵(lì)磁繞組采用的是銅；

(6)確定電機(jī)瞬態(tài)求解過程中各種損耗、運(yùn)動(dòng)部分、激勵(lì)源、邊界條件等；

(7)根據(jù)電機(jī)運(yùn)行要求，確定額定運(yùn)行速度、求解時(shí)間、轉(zhuǎn)矩等[4～6]； 機(jī)模型如圖1所示。

圖1 電機(jī)1/4模塊

2 不均勻氣隙

本文的采用的是正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)，將氣隙磁場(chǎng)波形接近于正弦，可以減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高控制系統(tǒng)精確性，使電機(jī)性能最優(yōu)。本文通過優(yōu)化齒頂形狀使氣隙不均勻來優(yōu)化氣隙磁場(chǎng)波形。但是偏心度不是越大越好，這樣氣隙不均勻度過大，反而會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的增加。

圖2 定子示意圖

圖3 不均勻氣隙齒頂示意圖

氣隙函數(shù)如下

(1)

(2)

(3)

式中，Dil—轉(zhuǎn)子內(nèi)徑(mm)；θ1—齒頂半跨距角，大小為6.1；D—齒頂偏心距；Rr—齒頂半徑。首先通過δmax、δmin之間的比值關(guān)系，根據(jù)式(1)和式(2)，得到偏心距D的大小,δmin=1。

2.1 不同偏心距對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響

由于電動(dòng)汽車需要在啟動(dòng)和爬坡的運(yùn)行過程中需要電機(jī)提供較大的轉(zhuǎn)矩。此工況被稱作過載。電機(jī)在過載的情況下容易產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。本文電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)分析，計(jì)算峰值轉(zhuǎn)矩情況時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。采用的是電流源，電樞電流有效值Ie=123A，f=133.3Hz，初相角thet=18°并且采用矢量控制 。繞組端輸入的電流如下所示

Ia=1.414×Ie×sin(2πft+thet)

(4)

Ib=1.414×Ie×sin(2πft-2π/3+thet)

(5)

Ic=1.414×Ie×sin(2πft+2π/3+thet)

(6)

圖4 不均勻氣隙對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響

圖5 不均勻氣隙對(duì)轉(zhuǎn)矩大小影響

由圖4可以得出，均勻氣隙時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅值為40.2Nm;當(dāng)偏心距D=43.7mm時(shí),轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值為25.4Nm，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅值為均勻氣隙時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩的63.1%，得到明顯的削弱。由圖4和圖5可知，過大的偏心距不僅使輸出轉(zhuǎn)矩明顯減小，還會(huì)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的增加。

2.2 空載氣隙磁密的優(yōu)化

根據(jù)2.1節(jié)可知?dú)庀恫痪鶆驎r(shí)氣隙磁密的波形的得到優(yōu)化，基于Maxwell 2D軟件，對(duì)氣隙均勻與不均勻兩種情況進(jìn)行有限元分析。分析0時(shí)刻，兩種情況下氣隙磁密的情況。圖6為兩種情況的磁密波形，圖7為兩種情況的磁密波形的傅里葉分解。

圖6 兩種磁密波形

由圖6可知，氣隙均勻的時(shí)候，平均氣隙磁密為0.631T。不均勻氣隙的時(shí)候，氣隙磁密平均值0.642T。由圖7可得到氣隙在均勻和不均勻時(shí)候的相關(guān)諧波幅值。

圖7 兩種情況磁密波形的傅里葉分解圖

由表3所示，均勻氣隙的波形畸變率為31%，不均勻氣隙時(shí)為26.8%: 不均勻氣隙磁密的畸變率小于均勻氣隙磁密的畸變率，說明不均勻氣隙磁密的波形更趨近于正弦波，磁密波形得到改善。

表3 兩種氣隙下磁密基波和相關(guān)次諧波值

3 電機(jī)性能優(yōu)化

3.1 空載反電勢(shì)

在電機(jī)基本尺寸、磁鋼尺寸和繞組完全相同的情況下，如圖8所示均勻氣隙下反電勢(shì)的有效值為203V。不均勻氣隙時(shí)反電勢(shì)為204V。這是由于氣隙不均勻的時(shí)候，聚磁能力更強(qiáng)。由表4可知，優(yōu)化后由于氣隙磁密諧波含量有所降低，因此轉(zhuǎn)子永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)切割定子繞組后產(chǎn)生的空載反電勢(shì)波形更加接近于正弦。

圖8 兩種氣隙下反電勢(shì)波形

表4 兩種氣隙反電勢(shì)基波和相關(guān)次諧波值

3.2 定子鐵耗

通過上述分析，偏心后導(dǎo)致磁密改變，在頻率和電機(jī)體積一定的情況下，定子鐵耗的大小和磁密的優(yōu)化程度有很大的關(guān)系。圖9為優(yōu)化前后的定子鐵耗仿真對(duì)比，從圖中可以看出，當(dāng)偏心距為43.7mm時(shí)，定子鐵耗比均勻氣隙減小了70W。

圖9 兩種氣隙下定子鐵耗對(duì)比

3.3 轉(zhuǎn)子渦流損耗

由于電機(jī)的齒槽效應(yīng)、繞組磁動(dòng)勢(shì)的非正弦分布，在轉(zhuǎn)子內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生渦流損耗。過大的渦流損耗會(huì)造成磁鋼退磁。因此，轉(zhuǎn)子內(nèi)的渦流損耗需要考慮[8]。

圖10 兩種氣隙下轉(zhuǎn)子渦流損耗對(duì)比

由圖10可知，不均勻氣隙下轉(zhuǎn)子渦流損耗相比于均勻氣隙的時(shí)候降低了23%，這是由于不均勻氣隙使氣隙磁密諧波含量有所降低，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的渦流損耗有所減小，這樣很大程度上降低了轉(zhuǎn)子上磁鋼退磁風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以一臺(tái)25kW輪邊直驅(qū)電機(jī)為例，研究了通過優(yōu)化定子齒頂形狀產(chǎn)生的不均勻氣隙對(duì)電機(jī)性能影響，得到了如下結(jié)論。

(1)不均勻氣隙能夠減小電機(jī)負(fù)載運(yùn)行下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使電機(jī)的振動(dòng)噪聲減小。

(2)不均勻氣隙可優(yōu)化氣隙磁密以及反電勢(shì)的波形，削弱諧波，使磁密波形更接近于正弦。

(3)不均勻氣隙能夠減小定子鐵耗以及轉(zhuǎn)子渦流損耗，這樣可以很大程度上提高電機(jī)的效率，同時(shí)降低電機(jī)的溫升。