純電動客車驅(qū)動電機電磁設計

吳先坤， 程 義， 柯寶平， 潘岱松

(安徽安凱汽車股份有限公司 新能源汽車研究所， 合肥 230051)

近年來，新能源客車蓬勃發(fā)展，對驅(qū)動電機的性能提出了更高的要求。本文從磁路優(yōu)化設計角度出發(fā)，設計一種能夠在山區(qū)、爬坡等工況下穩(wěn)定運行的驅(qū)動電機，并對其性能進行仿真分析。

1 驅(qū)動電機電磁設計

1.1 總體要求

純電動客車的驅(qū)動電機目前我國采用較多的是永磁同步電機，具有重量輕、體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單的特點，與其他電機相比具有絕對優(yōu)勢。

設計之初需制定電機電磁設計的目標。本設計目標為實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩和最大功率指標輸出，用最少的材料、最低的成本實現(xiàn)電機的最大輸出；在最大轉(zhuǎn)矩和最大功率指標實現(xiàn)的基礎上，做到電機高效區(qū)更寬、高效區(qū)占比更大；控制電機齒槽轉(zhuǎn)矩，使電機輸出轉(zhuǎn)矩更加平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩波動更小，同時電磁噪聲更小[1-2]。

根據(jù)某電動客車動力需求，并遵循電機的設計準則，擬設計永磁同步電機額定功率85 kW、峰值功率185 kW、額定轉(zhuǎn)速1 350 r/min、峰值轉(zhuǎn)速3 000 r/min。分別從永磁材料選擇、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、極槽配合及氣隙長度選擇等方面進行設計研究。

1.2 永磁材料選擇

從材料的屬性方面考慮，市面上現(xiàn)采用較多的永磁材料有：鋁鎳鈷、鐵氧體、稀土鈷、釹鐵硼等，其磁性能屬性見表1。

表1 常用永磁材料的磁性能

鋁鎳鈷價格相對較低，但材料硬而脆，矯頑力較低；稀土鈷雖然剩磁、矯頑力和最大磁能積都很高，但除電加工外，不能進行機械加工，且材料價格高，造成成本加??；綜合考量后本次設計選用價格較低、應用廣泛的釹鐵硼材料，雖然其含有較多的鐵和釹易發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，但通過對其表面進行涂層、電鍍等處理手段可有效避免[3-4]。

1.3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)異步電機不同，永磁同步電機轉(zhuǎn)子內(nèi)自身產(chǎn)生勵磁磁場，為進一步降低成本，需在保證充分發(fā)揮材料作用的前提下對所選釹鐵硼材料的數(shù)量及結(jié)構(gòu)進行合理化設計，設計原則如下：保證氣隙磁場足夠強，保證輸出轉(zhuǎn)矩高；在保證其力學屬性的前提下，合理設計磁鋼結(jié)構(gòu)布置，盡量減小裝配的強度；在保證電機輸出及各項性能前提下，縮減磁鋼用量[5-6]。

為滿足純電動客車的載客、爬坡等高轉(zhuǎn)矩行駛需求，在保證永磁體面積不變的前提下，利用有限元軟件對兩種常見類型(即“V”型和“V一”型)的氣隙磁密進行仿真計算分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 “V”型和“V一”型結(jié)構(gòu)氣隙磁密對比圖

由圖1可知，“V”型和“V一”型結(jié)構(gòu)的氣隙磁密峰值分別為0.8 T和0.9 T，“V一”型氣隙磁密增大12.5%，采用此種結(jié)構(gòu)可有效減少漏磁通、增大氣隙磁密，因此本次設計采用“V一”型結(jié)構(gòu)。

1.4 極槽配合

驅(qū)動電機在工作過程中保持低的齒槽轉(zhuǎn)矩、噪聲和振動，以保證具有較低的電樞反應磁動勢諧波含量，最佳的極槽配合尤為重要。在選擇極槽配合時，不僅需考慮噪聲和齒槽轉(zhuǎn)矩，更應從損耗角度重點考量。

通過查閱文獻得知：電機鐵耗隨電機頻率增大而增大，呈指數(shù)關(guān)系[7]?？紤]到轉(zhuǎn)子安裝空間限制，極數(shù)不宜選擇過多，結(jié)合以往設計經(jīng)驗，本文設計的轉(zhuǎn)子極數(shù)為12，槽數(shù)在48、60和72之間選擇。針對3種配合，分析其齒槽轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩和總損耗的結(jié)果，綜合選定槽數(shù)[7-8]。

極槽配合屬于通過改變永磁體氣隙磁密，消弱對齒槽轉(zhuǎn)矩有影響的傅里葉分解系數(shù)，對以上3種極槽配合進行有限元分析，結(jié)果見表2。從中可以看出，其中12極60槽的峰-峰值齒槽轉(zhuǎn)矩最小；12極48槽的峰-峰值齒槽轉(zhuǎn)矩遠大于其他兩種配合；分別設置斜槽角度10°后，3種配合的10°峰-峰值齒槽轉(zhuǎn)矩均大幅下降；而12極48槽依然遠高于其他兩種配合，所以首先排除[9-10]。

表2 3種配合齒槽轉(zhuǎn)矩極脈動表

選取合適的極槽配合不僅需考慮齒槽轉(zhuǎn)矩，還需考慮到損耗的大小，這也決定了樣機能否保證較高的功率密度和轉(zhuǎn)矩，是否具有良好的NVH特性。12極60槽和12極72槽的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線和損耗-轉(zhuǎn)速曲線分別如圖2和圖3所示。從曲線來看，在540 V電壓平臺下，12極72槽外特性曲線明顯優(yōu)于12極60槽，且總損耗遠小于12極60槽總損耗，所以綜合以上因素，選擇12極72槽較為合理。

圖2 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線圖

圖3 損耗-轉(zhuǎn)速曲線圖

1.5 氣隙長度

氣隙長度直接影響電機的性能指標，也決定磁通量的大小。氣隙較長，電機磁阻較大、永磁體利用率較小，間接增加電機成本；氣隙較短，一方面不易裝配且結(jié)構(gòu)可靠性較差，另一方面也會使得電機振動、噪聲加劇[11-12]。因此在電機氣隙選擇上要在控制成本的基礎上多角度考慮，依據(jù)永磁同步電機設計準則，永磁同步電機相較于異步電機而言氣隙稍大，綜合考量后本次設計選取氣隙長度為2 mm。

2 實驗驗證

2.1 實驗依據(jù)及條件

樣機試制結(jié)束后，依據(jù)GB/T 18488.1—2015《電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)條件》[13]和GB/T 18488.2—2015《電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 第2部分：試驗方法》[14]展開電機相關(guān)實驗。

為保證實驗的可靠性，將驅(qū)動電機置于AVL室內(nèi)臺架上，于平均相對濕度為75%、平均氣壓1.4×105Pa、平均溫度為25 ℃環(huán)境下開展，設置電壓平臺540 V。

2.2 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如圖4所示，可以看出該電機實際轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速-功率關(guān)系與其仿真結(jié)果基本一致，且其峰值轉(zhuǎn)矩和峰值功率均能夠滿足設計要求。實驗后針對數(shù)據(jù)進行分析整理，得到540 V平臺電動系統(tǒng)效率map圖，如圖5所示，電動系統(tǒng)效率大于80%的區(qū)域占總區(qū)域的97.8%，在200 r/min至3 000 r/min間的平均效率為91.2%，相較以往大于80%區(qū)域96%、200 r/min至3 000 r/min間平均效率89.5%均有所提升。

圖4 實驗與仿真結(jié)果對比圖

圖5 電動540 V系統(tǒng)效率map圖

3 結(jié)束語

本文從永磁材料選擇、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、極槽配合以及氣隙長度的選擇等方面入手，設計了一種高功率密度、高轉(zhuǎn)矩及低噪聲的永磁同步電機，該電機相較以往同平臺電機，功率密度從0.71 kW/kg提高至1.03 kW/kg，峰值轉(zhuǎn)矩從 2 000 Nm提高至2 200 Nm，工作噪聲從87 dB(A)下降至 82 dB(A)，可以滿足我國大部分山區(qū)、高原等地的客車載客、爬坡等需求。