非晶轉(zhuǎn)子再制造電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩研究及優(yōu)化

宋守許，李諾楠，夏 燕

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009；2.機(jī)械工業(yè)綠色設(shè)計(jì)與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230009)

0 引 言

隨新能源汽車的興起，永磁同步電動(dòng)機(jī)在混動(dòng)、純電動(dòng)以及燃料電池汽車領(lǐng)域都發(fā)揮重要作用。未來數(shù)百萬的車用電機(jī)將迎來大面積淘汰，電機(jī)再制造問題亟待解決。

電機(jī)再制造是通過先進(jìn)技術(shù)和工藝，提高電機(jī)效率，同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的目的[1]。目前針對(duì)電機(jī)再制造的研究主要有定轉(zhuǎn)子重新設(shè)計(jì)[2-3]、繞組重繞[4]、生命周期評(píng)估等。為節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境，應(yīng)研發(fā)高效節(jié)能的電機(jī)產(chǎn)品[5]。非晶合金是一種低損耗材料，性能優(yōu)異，制造工序簡(jiǎn)單，相比硅鋼片，加工能耗可降至20%[6]。Fan等[7]將非晶合金用于電動(dòng)汽車電機(jī)定子鐵心，電機(jī)性能得到顯著提升。朱龍飛等[8]分別采用非晶合金和硅鋼鐵心制作了兩臺(tái)永磁電機(jī)，對(duì)比了損耗和效率特性。但非晶合金鐵心疊壓系數(shù)低、磁致伸縮系數(shù)較大，所開發(fā)樣機(jī)綜合性能不高[9]。韓雪巖等[10]研究了磁致伸縮和疊壓對(duì)非晶合金電機(jī)振動(dòng)噪聲的影響。

電機(jī)的振動(dòng)和噪聲是評(píng)估電動(dòng)汽車性能的重要指標(biāo)，齒槽轉(zhuǎn)矩是引起電機(jī)振動(dòng)和噪聲的關(guān)鍵因素。為削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)ei W等[11]提出了組合定子齒寬的優(yōu)化方法；汪道涵等[12]提出了不對(duì)稱磁極優(yōu)化方法。

再制造過程中零部件的可再設(shè)計(jì)范圍小，加大了提升電機(jī)性能的難度。現(xiàn)有文獻(xiàn)中鮮有涉及到再制造電機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化及非晶轉(zhuǎn)子對(duì)再制造電機(jī)的影響。為提高車用再制造永磁電機(jī)性能，留用永磁體、定子等部件，將硅鋼轉(zhuǎn)子鐵心替換為低損耗的非晶鐵心，推導(dǎo)考慮轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)的等效磁路模型。針對(duì)再制造電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩提高但齒槽轉(zhuǎn)矩升高的問題，提出磁極夾角-偏心外圓的轉(zhuǎn)子再設(shè)計(jì)方法。結(jié)合仿真分析，研究了再設(shè)計(jì)磁極夾角及氣隙偏心深度對(duì)電機(jī)性能的影響，為削弱非晶轉(zhuǎn)子再制造電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩提供了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 非晶合金轉(zhuǎn)子再制造電機(jī)

1.1 電機(jī)參數(shù)

選用已投入市場(chǎng)的車用JEEMC01003B型永磁電機(jī)為研究對(duì)象，電機(jī)鐵心模型如圖1所示，主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)主要參數(shù)

圖1 電機(jī)鐵心模型

1.2 材料性能

再制造電機(jī)保留硅鋼定子，轉(zhuǎn)子鐵心替換為非晶合金。原硅鋼材料牌號(hào)為B35AV1900，非晶合金材料牌號(hào)為Metglas2605SA1，兩種材料的磁性能數(shù)據(jù)如表2所示，非晶合金材料飽和磁密和鐵耗低，磁阻率高。

表2 非晶合金與硅鋼性能參數(shù)

2 再制造電機(jī)等效磁路解析

2.1 等效磁路模型建立

根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，永磁體可等效為一個(gè)恒定磁通源與一個(gè)恒定內(nèi)磁導(dǎo)的并聯(lián)磁路模型，V型永磁體的一支與相鄰的極性相反的一支共同參與構(gòu)成整個(gè)閉合磁路的磁通源，如圖2所示。

圖2 磁通路徑示意圖

由于氣隙磁阻遠(yuǎn)大于定轉(zhuǎn)子磁阻，磁路分析時(shí)常將定、轉(zhuǎn)子磁阻忽略。針對(duì)再制造電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁阻改變，需考慮其影響。由于轉(zhuǎn)子部分磁路長(zhǎng)度不同，沿轉(zhuǎn)子外圓將V型永磁體的一支對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子鐵心等弧度分成n份，轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)相應(yīng)分成n份，得電機(jī)等效磁路模型如圖3所示，圖3(a)為考慮定、轉(zhuǎn)子鐵心磁導(dǎo)的等效磁通模型，為更好地分析非晶轉(zhuǎn)子的影響規(guī)律，只另外考慮轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)，簡(jiǎn)化模型如圖3(b)。負(fù)載時(shí)主磁路中增加了電樞磁動(dòng)勢(shì)，設(shè)每對(duì)極磁路中的電樞磁動(dòng)勢(shì)為Fa。令Fa=0，得空載時(shí)的等效磁路。

圖3 等效磁路模型

其中，Φr和Φ0分別為永磁體虛擬內(nèi)稟磁通和虛擬內(nèi)稟漏磁通；Φδ和Φσ分別為永磁電機(jī)磁路主磁通和漏磁通；Λ0和Λσ分別為磁體內(nèi)磁導(dǎo)和電機(jī)漏磁路磁導(dǎo)；Λrn和Λgn(n=1,2,3……n)分別為電機(jī)主磁路轉(zhuǎn)子和氣隙n個(gè)部分的磁導(dǎo)；Λtn和Λtsn分別為對(duì)應(yīng)定子齒部和軛部n個(gè)部分的磁導(dǎo)。

2.2 等效氣隙磁密及齒槽轉(zhuǎn)矩解析

再制造電機(jī)中，轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)變化改變了原磁路分布，故等效磁路模型需考慮轉(zhuǎn)子鐵心磁導(dǎo)。由圖3(b)知，主磁路磁通計(jì)算公式為

(1)

式中，虛擬內(nèi)稟磁通Φr計(jì)算公式為

Φr=BrSm×10-4

(2)

Λ0為永磁體內(nèi)磁導(dǎo)，表示如下：

(3)

式中，Sm為永磁體單支的等效截面積，μr為永磁體相對(duì)磁導(dǎo)率，μ0為空氣磁導(dǎo)率。

由圖3(b)，電機(jī)主磁路轉(zhuǎn)子和氣隙n個(gè)部分的磁導(dǎo)Λrn、Λgn為

(4)

(5)

式中，μrt為轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)率，Srn、Sgn分別為轉(zhuǎn)子和氣隙n個(gè)部分的有效截面積，hrn為轉(zhuǎn)子鐵心n個(gè)部分徑向厚度，hgn為氣隙n個(gè)部分的長(zhǎng)度。

Λ為主磁路中轉(zhuǎn)子和氣隙磁導(dǎo)的總和：

(6)

由式(1)-式(6)可得氣隙磁密計(jì)算式為

(7)

式中，Sg為永磁體單支對(duì)應(yīng)氣隙等效面積。

氣隙磁密是影響電機(jī)性能的關(guān)鍵因素。氣隙磁通和定子三相電流作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中基波電動(dòng)勢(shì)與電流作用產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知：

E=4KNmfNKdqΦδ

(8)

式中，KNm為氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù)；f為電流頻率；N為每相串聯(lián)匝數(shù)；Kdq為繞組系數(shù)。

電機(jī)空載時(shí)存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量W對(duì)位置角α的負(fù)導(dǎo)數(shù)定義為齒槽轉(zhuǎn)矩，表達(dá)式為

(9)

假設(shè)電樞鐵心磁導(dǎo)率無限大，則：

(10)

由式(1)-式(6)知，非晶合金磁導(dǎo)率大于硅鋼，將導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)增大，進(jìn)而增大氣隙磁密幅值。由式(6)-式(8)知，轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)增大，造成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大，可提高電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。由式(9)-式(10)知，氣隙磁密增大，將造成電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩升高，影響電機(jī)性能。因此，若要提升非晶轉(zhuǎn)子電機(jī)性能，需對(duì)磁密進(jìn)行優(yōu)化。由式(7)知影響永磁電機(jī)氣隙磁密的因素包括氣隙長(zhǎng)度hgn、轉(zhuǎn)子徑向厚度hrn，通過對(duì)非晶轉(zhuǎn)子外圓進(jìn)行偏心再設(shè)計(jì)、磁極夾角再設(shè)計(jì)，可分別改變氣隙長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)子徑向厚度。合理設(shè)計(jì)hgn、hrn，將使再制造電機(jī)磁密波形得到優(yōu)化，綜合性能得到提升。

3 轉(zhuǎn)子再設(shè)計(jì)電機(jī)性能分析

3.1 非晶轉(zhuǎn)子電機(jī)性能分析

3.1.1 負(fù)載性能

相同條件下，對(duì)原電機(jī)與再制造電機(jī)進(jìn)行仿真分析，得到兩者的轉(zhuǎn)矩與鐵耗情況分別如圖4和圖5所示。

圖4 原電機(jī)與再制造電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

圖5 原電機(jī)與再制造電機(jī)鐵耗

由圖可知，再制造電機(jī)平均輸出轉(zhuǎn)矩為43.17 N·m，高于原電機(jī)的42.31 N·m；平均鐵耗為194 W，低于原電機(jī)的196.5 W。

3.1.2 空載性能

圖6 原電機(jī)與再制造電機(jī)氣隙磁密

圖7 原電機(jī)與再制造電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩

3.1.3 偏心深度對(duì)再制造電機(jī)性能影響

再制造電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心再設(shè)計(jì)模型如圖8所示，O為原轉(zhuǎn)子圓心，O′為偏心轉(zhuǎn)子外圓圓心，R為原轉(zhuǎn)子半徑，Rp為偏心圓半徑，H為偏心距，d為轉(zhuǎn)子外圓偏心深度，保持磁極結(jié)構(gòu)不變。由式(7)-式(10)知，偏心后氣隙長(zhǎng)度的不均勻變化，會(huì)改變氣隙磁密值分布，影響齒槽轉(zhuǎn)矩。

為保證磁橋處強(qiáng)度，取偏心深度d范圍為[0-0.6]mm，步長(zhǎng)為0.05 mm，建立不同偏心深度下再制造電機(jī)模型，仿真分析得齒槽轉(zhuǎn)矩的變化如圖9所示。隨d的增加，齒槽轉(zhuǎn)矩明顯下降。當(dāng)d為0.6 mm時(shí)，再制造電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩達(dá)到最小520.1 mN·m，仍是原電機(jī)的兩倍之多，難以達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。

圖9 非晶轉(zhuǎn)子偏心再設(shè)計(jì)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩

3.2 轉(zhuǎn)子磁極夾角再設(shè)計(jì)電機(jī)性能研究

3.2.1 磁極夾角再設(shè)計(jì)模型

由式(1)-式(7)知，通過增大轉(zhuǎn)子鐵心徑向厚度hrn，轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)隨之減小，可以降低氣隙磁密。當(dāng)改變同極的磁極夾角，會(huì)帶來轉(zhuǎn)子徑向厚度變化，改變氣隙磁密分布。針對(duì)再制造特點(diǎn)，提出非晶轉(zhuǎn)子磁極夾角再設(shè)計(jì)模型如圖10所示。θm為原電機(jī)V型磁極夾角的一半，θmr為再設(shè)計(jì)磁極夾角，do1為原轉(zhuǎn)子模型磁極距轉(zhuǎn)子軸距離，do2為再設(shè)計(jì)后磁極嵌入深度增量，細(xì)實(shí)線為磁極嵌入深度增大了do2后的槽，保持永磁體寬度不變。磁鋼嵌入深度的增加，增大了轉(zhuǎn)子徑向厚度，減小了磁極夾角。因此，合理設(shè)計(jì)do2，優(yōu)化徑向厚度分布，有利于降低氣隙磁密。

圖10 非晶轉(zhuǎn)子磁極夾角再設(shè)計(jì)模型

3.2.2 磁極夾角對(duì)再制造電機(jī)性能的影響

為保證轉(zhuǎn)子強(qiáng)度，取do2范圍為[0.35-5.85]mm，步長(zhǎng)為0.5 mm，建立各磁極嵌入深度下的電機(jī)模型，氣隙磁密幅值隨do2變化如圖11所示。由圖知，磁密幅值隨do2的增大而降低。

圖11 氣隙磁密隨增量do2的變化

再制造電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩曲線如圖12所示，可得：由于磁密值的下降，齒槽轉(zhuǎn)矩也隨之下降，但是未能降低至原電機(jī)水平之下。

圖12 齒槽轉(zhuǎn)矩隨增量do2的變化

通過再制造電機(jī)偏心優(yōu)化和磁極夾角優(yōu)化設(shè)計(jì)的分析，兩種方法都能一定程度降低齒槽轉(zhuǎn)矩，但未能降低到原電機(jī)之下。

3.3 轉(zhuǎn)子磁極夾角-偏心外圓再設(shè)計(jì)電機(jī)性能優(yōu)化分析

3.3.1 磁極夾角-偏心外圓再設(shè)計(jì)模型

由3.1、3.2節(jié)分析可得，可綜合利用磁極夾角再設(shè)計(jì)降低磁密值和偏心轉(zhuǎn)子優(yōu)化磁密波形的方法，削弱電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，提升電機(jī)性能。再制造電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極夾角-偏心外圓再設(shè)計(jì)模型如圖13所示。同時(shí)建立不同do2下不同偏心深度d的電機(jī)模型，進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比分析參數(shù)do2、d對(duì)再制造電機(jī)性能影響規(guī)律。

圖13 磁極夾角-偏心外圓再設(shè)計(jì)模型

3.3.2 磁極夾角-偏心外圓再設(shè)計(jì)電機(jī)性能

基于圖13中的電機(jī)模型，仿真計(jì)算得各情況下的輸出轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩分別如圖14和15所示。

圖14 不同do2下，輸出轉(zhuǎn)矩隨偏心深度d的變化

由圖14知，在相同的do2下，再制造電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨d的增大而減小，當(dāng)d在0.35～0.4 mm時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩下降的幅度最大，整體上輸出轉(zhuǎn)矩隨do2的增大而減小。

圖15 不同do2下，齒槽轉(zhuǎn)矩隨偏心深度d的變化

由圖15知，當(dāng)do2為0.35mm、0.85 mm時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩隨d增大而減小，在其它增量下，齒槽轉(zhuǎn)矩隨d的增大先減小后增大。使齒槽轉(zhuǎn)矩達(dá)到最低的d值，隨do2的增大而增大。

3.4 最優(yōu)參數(shù)

優(yōu)化后再制造電機(jī)的性能參數(shù)如表3所示。當(dāng)do2為2.5 mm，d為0.35 mm時(shí)，相比原電機(jī)，再制造電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩為192.4 mN·m，降低了22%，輸出轉(zhuǎn)矩為42.8 N·m，升高了0.5 N·m，效率最高為97.723%，鐵耗為175.1 W，降低了10%，再制造電機(jī)性能綜合提升。

表3 再制造電機(jī)性能優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)以車用永磁電機(jī)為例，將轉(zhuǎn)子鐵心替換為非晶合金進(jìn)行再制造，齒槽轉(zhuǎn)矩大幅增加難以滿足性能要求。

(2)對(duì)非晶轉(zhuǎn)子分別進(jìn)行偏心和磁極夾角再設(shè)計(jì)，齒槽轉(zhuǎn)矩分別隨偏心深度和磁極嵌入深度增大而減小，但單獨(dú)采用效果均不佳。

(3)提出轉(zhuǎn)子磁極夾角-偏心外圓的組合再設(shè)計(jì)方法，隨著磁極嵌入深度增大，再制造電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩達(dá)到最小時(shí)的偏心深度值也逐漸減小。在相同的磁極嵌入深度下，輸出轉(zhuǎn)矩隨偏心深度的增大而減小。

(4)通過等效磁路及仿真分析，非晶磁導(dǎo)率大于硅鋼，增大了電機(jī)氣隙磁密，提升了輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)合理設(shè)計(jì)氣隙長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)子徑向厚度時(shí)，優(yōu)化氣隙磁密，降低齒槽轉(zhuǎn)矩，驗(yàn)證了采用非晶轉(zhuǎn)子進(jìn)行電機(jī)再制造的可行性。