電動汽車用分裂繞組永磁同步電機設(shè)計

翟秀果，李毅拓，鄭 權(quán)

(河南森源重工有限公司，長葛 461500)

0 引 言

為解決日漸突出的環(huán)境問題和能源問題，根據(jù)國家新能源車輛強制使用法規(guī)和條例，電動車輛在道路交通工具中的占比不斷提升，伴隨著乘用車電動化的趨勢，商用車和工程車也在電動化進(jìn)程上不斷開拓[1]。

目前，國外最具代表性的電動汽車主要有以特斯拉 Model3、日產(chǎn)軒逸、奔馳EQC、奧迪e-tron等為代表的純電動汽車，和以寶馬X1、沃爾沃XC90為代表的插電式混合電動汽車[2]。國內(nèi)的新能源汽車研發(fā)雖然起步較晚，但已初具規(guī)模，依托國家政策的導(dǎo)向及廣闊的市場需求，相關(guān)技術(shù)水平得到了不斷提升，目前市場上已經(jīng)有大量的車型推出，比如蔚來ES6、小鵬汽車G3以及比亞迪系列等，以純電動汽車為主，包括部分插電式混動汽車，涵蓋乘用車、商用車以及專用車等領(lǐng)域[3]。我國新能源汽車的配套廠家在電池、電機、電控等核心部件研發(fā)的進(jìn)程中不斷探索，克服重重困難，電動汽車市場逐漸擴大，但是目前電動汽車依然存在充電慢和續(xù)航里程短等一些主要問題。

解決電動汽車?yán)m(xù)航里程問題，一方面要從儲能電池入手，研制高儲能的電芯和電池管理系統(tǒng)，另一方面要從電驅(qū)系統(tǒng)方面入手，研制高效節(jié)能的電機和電控系統(tǒng)。本文主要研究電機的高效節(jié)能性，以一款200 kW永磁同步電機為例，探討分裂繞組定子和交直軸電感優(yōu)化對電機高效率特性的貢獻(xiàn)[2]。

永磁同步電機轉(zhuǎn)子上沒有銅耗，相對于異步電機效率較高，電動汽車廠家在電驅(qū)系統(tǒng)中越來越傾向于使用永磁同步電機。傳統(tǒng)電機定子繞組為固定匝數(shù)，因為電機感應(yīng)電動勢和轉(zhuǎn)速成正比，所以永磁電機在高速時必須進(jìn)行弱磁控制，以免感應(yīng)電勢過高擊穿開關(guān)器件，即永磁電機在高速時有相當(dāng)一部分電流是起到反向弱磁功能，并不提供轉(zhuǎn)矩，該部分弱磁電流在定子中同樣存在銅耗。為了解決這一問題，部分廠商采用兩檔變速箱的結(jié)構(gòu)，在車輛高速行駛時用切換齒輪的方法降低電機轉(zhuǎn)速，以此來降低電機的感應(yīng)電動勢，但該結(jié)構(gòu)增加了變速箱后電驅(qū)系統(tǒng)的體積和成本。本文采用分裂繞組的定子結(jié)構(gòu)，從根本上解決永磁同步電機寬轉(zhuǎn)速運行的弱磁問題，電機定子繞組分段引出，在低速區(qū)域運行時繞組全部接入工作，保證電機恒轉(zhuǎn)矩輸出；在高速區(qū)域運行時繞組部分接入工作，定子磁鏈減小，所需弱磁電流降低，保證電機恒功率輸出。

1 動力匹配及電機性能

1.1 計算電機外特性曲線

本文所研究的永磁同步電機擬用作物流車的驅(qū)動電機，物流車相關(guān)動力需求參數(shù)如表1所示。

表1 電動物流車動力需求參數(shù)

物流車最大需求功率出現(xiàn)在滿載時的爬坡路段，根據(jù)最大爬坡功率計算式[4]：

(1)

(2)

計算電機恒轉(zhuǎn)矩段峰值轉(zhuǎn)矩T=392 N·m,取T=400 N·m。

電機低速段工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，高速段工作在恒功率區(qū)域，繪制電機需求外特性曲線如圖1所示。

圖1 電動物流車需求電機外特性

1.2 計算電機參數(shù)

首先用解析法根據(jù)永磁同步電機所需功率和轉(zhuǎn)矩確定電機的大致尺寸，有經(jīng)驗公式[3]：

(3)

式中：T為電機輸出轉(zhuǎn)矩；暫取電機輸出效率η=96%；電樞繞組系數(shù)kw=0.92，水冷電機電負(fù)荷A=50 kA/m，磁負(fù)荷B=0.8 T，根據(jù)車輛底盤安裝空間估算電機的有效長度le=0.15 m。

根據(jù)需求T=400 N·m，計算定子內(nèi)徑Dsi=0.22 m。

取定子裂比0.66，定子外徑Dso=330 mm。

根據(jù)公式:

(4)

確定定子槽面積As，取槽滿率kp=0.7，定子槽數(shù)Ns=48，電流密度J=15 A/mm2。

進(jìn)一步根據(jù)公式：

(5)

確定定子軛厚度hc和定子齒寬ωt尺寸，定子采用平行齒結(jié)構(gòu)。

用相關(guān)數(shù)值在Maxwell軟件中進(jìn)行2D建模，并進(jìn)行電磁優(yōu)化計算，得到電機基本參數(shù)，電機二維模型如圖2所示，具體電機參數(shù)如表2所示。

圖2 150 kW永磁同步電機1/2模型圖

表2 電機參數(shù)

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值定子外徑Dso/mm330極對數(shù)4定子內(nèi)徑Dsi/mm220轉(zhuǎn)子外徑Dro/mm218 槽數(shù)48轉(zhuǎn)子內(nèi)徑Dri/mm60 疊片厚度h/mm150磁鋼厚度δ/mm7相數(shù)3磁鋼寬度b/mm22鐵心材料35W270磁鋼材料NdFe35斜槽角度7.5°極弧系數(shù)0.8并聯(lián)支路數(shù)1隔磁橋O1/mm3每個元件匝數(shù)6磁鋼轉(zhuǎn)軸距離O2/mm26

計算得到電機輸出峰值狀態(tài)功率和轉(zhuǎn)矩，如圖3所示。圖3中，三角標(biāo)志線為峰值轉(zhuǎn)矩，叉線為峰值功率，可以看出電機性能滿足車輛動力需求。

圖3 電機外特性曲線

進(jìn)一步計算電機的電流曲線如圖4所示。圖4中，平滑曲線為定子相電流is曲線，三角線為交軸電流iq曲線，叉線為直軸電流-id曲線。計算電機的效率map如圖5所示。

圖4 電機電流曲線

圖5 電機效率map

從圖4可以看出，電機在低速恒轉(zhuǎn)矩區(qū)需要380 A的電流，隨著轉(zhuǎn)速升高，進(jìn)入恒功率區(qū)域后電流先降再升，到達(dá)10 000 r/min之后，在高速區(qū)域電流逐漸超過了恒轉(zhuǎn)矩段電流。這是因為電流可以分解為兩部分，提供轉(zhuǎn)矩的交軸電流iq和弱磁電流-id，在低速區(qū)域，電機感應(yīng)電動勢低，需要的弱磁電流較小，電流大部分用來提供轉(zhuǎn)矩輸出；中速段后進(jìn)入恒功率區(qū)域，電機所需輸出轉(zhuǎn)矩降低而感應(yīng)電動勢未超出額定電壓，電流呈現(xiàn)降低趨勢；高速段后電機感應(yīng)電動勢超出額定電壓，且隨著轉(zhuǎn)速升高進(jìn)一步升高，電機所需輸出轉(zhuǎn)矩仍然降低趨勢，需要越來越多的電流參與到弱磁分量中，以至于電流超過了低速區(qū)電流。

電驅(qū)系統(tǒng)的最大伏安容量定義為電機最大工作電壓點的電壓Us1和電機最大工作電流點的電流Is2的乘積，該Us1和Is2可以不同時出現(xiàn)，最大伏安容量決定著電驅(qū)系統(tǒng)的功率密度，也限制著功率元器件的選型。顯然，定子電流在高速段超過低速段，這不是電機工作的理想情況，會提高電驅(qū)系統(tǒng)的最大伏安容量，降低系統(tǒng)的功率密度；另外，高速時因為電機鐵耗越來越高，再加上不斷增大的銅耗會導(dǎo)致高速段效率嚴(yán)重下降，從圖5的電機效率map可以直觀地看出電機高效區(qū)域面積很小。

2 分裂繞組設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

為了降低電驅(qū)系統(tǒng)的最大伏安容量，同時提高電機高效率區(qū)面積，擬將本電機的定子繞組設(shè)計為分裂繞組形式，將定子繞組分兩部分組成，兩部分同槽分布，低速區(qū)域兩部分串聯(lián)同時工作，高速時切掉部分繞組來降低電機的感應(yīng)電動勢，分裂繞組電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 分裂繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

定子繞組分為N1和N2兩部分，兩段之間首尾串聯(lián)并做中間引出線，三相電機的三個尾端引出線接切換開關(guān)K1，三個中間引出線接切換開關(guān)K2。低速時K1接通，K2斷開，電機工作繞組N=N1+N2；高速時K1斷開，K2接通，電機工作繞組N=N1。當(dāng)然，圖6為特殊的兩段式分裂結(jié)構(gòu)，而分裂繞組的分段段數(shù)z不僅限于z=2，切換開關(guān)個數(shù)等于分段段數(shù)z，具體分段段數(shù)需依照電機的弱磁調(diào)速范圍而定，并同時考慮經(jīng)濟(jì)性和可行性。

分裂繞組內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示，以A相為例，每個六邊形為一個繞組元件，普通電機繞組的元件個數(shù)為Ns/m，即槽數(shù)除以相數(shù)，而分裂繞組的元件個數(shù)為z×Ns/m，本文中電機z=2即可滿足弱磁調(diào)速需求。圖7中繞組A1-X1段每個元件的匝數(shù)為N1，繞組A2-X2段每個元件的匝數(shù)為N2，兩段繞組的元件同槽分布。

圖7 分裂繞組內(nèi)部結(jié)構(gòu)

分裂繞組的設(shè)計原則如下：

1) 繞組分段段數(shù)z需要同時考慮經(jīng)濟(jì)性和可行性，分段段數(shù)提升會導(dǎo)致切換開關(guān)個數(shù)增加，從而增加接線盒體積，不利于成本控制。

2) 繞組分裂匝數(shù)比λ=N1/(N1+N2)，λ的選取需要同時考慮低速時輸出足夠大的轉(zhuǎn)矩和高速時足夠小的感應(yīng)電動勢。

3) 分裂轉(zhuǎn)速點n的選取要根據(jù)分裂匝數(shù)比而定，并同時保證繞組分裂前感應(yīng)電勢足夠小，繞組分裂后輸出轉(zhuǎn)矩足夠大。

4) 為了盡可能降低系統(tǒng)的最大伏安容量，繞組分裂前所有繞組串聯(lián)工作的電流is1和繞組分裂后僅部分繞組工作的電流is2要滿足關(guān)系is1≈is2。

5) 繞組分裂前的總匝數(shù)選取要考慮系統(tǒng)的安全電壓，即考慮切換開關(guān)的故障模式，在所有繞組串聯(lián)情況下，電機在最大轉(zhuǎn)速時的感應(yīng)電動勢要小于控制器件的安全電壓。

2.2 設(shè)計結(jié)果與對比分析

根據(jù)以上設(shè)計原則，利用Maxwell 2D軟件對繞組匝數(shù)、分裂轉(zhuǎn)速點和轉(zhuǎn)子磁鋼尺寸進(jìn)行參數(shù)化分析，計算得出分段段數(shù)z=2，分裂轉(zhuǎn)速n=6800r/min，元件匝數(shù)N1=4，N2=5，即轉(zhuǎn)速小于6800r/min時繞組工作匝數(shù)為9匝，轉(zhuǎn)速大于6800r/min時繞組工作匝數(shù)4匝。

對比分裂繞組電機和普通繞組電機的空載感應(yīng)電動勢曲線如圖8所示。圖8中，實線為分裂繞組電機空載感應(yīng)電動勢曲線，虛線為普通繞組電機感應(yīng)電動勢曲線?？梢钥吹?，分裂轉(zhuǎn)速前電機感應(yīng)電動勢斜率很大，分裂轉(zhuǎn)速后電機感應(yīng)電動勢斜率較低，之后電機的空載感應(yīng)電動勢遠(yuǎn)低于普通電機。

圖8 空載感應(yīng)電勢對比

分裂繞組電機的定子電流曲線如圖9和圖10所示，其中圖9為電流幅值曲線，圖10為電流相角曲線。對比圖4和圖9可以看出，高速時分裂繞組電機的電流得到有效抑制，最高速時電流不超過低速時的恒轉(zhuǎn)矩電流。

圖9 分裂繞組電機電流幅值曲線

圖10 分裂繞組電機電流相角曲線

對比普通電機和分裂繞組電機最大伏安特性曲線如圖11所示?？梢姡@組采用分裂控制可以有效地降低整個系統(tǒng)的伏安容量，從而節(jié)省成本，提高系統(tǒng)的功率密度。

圖11 電機最大伏安容量對比

計算分裂繞組電機的輸出轉(zhuǎn)矩特性曲線，如圖12所示。圖12中，三角線為繞組分裂前轉(zhuǎn)矩曲線，虛線為繞組分裂后轉(zhuǎn)矩曲線，兩條曲線疊加之后的輪廓線可以完全覆蓋圖1的電動物流車需求轉(zhuǎn)矩曲線。進(jìn)一步計算分裂繞組電機的效率map，如圖13所示?？梢姡撾姍C存在兩個高效率區(qū)域，對比圖5普通電機的效率map，發(fā)現(xiàn)高效區(qū)域面積幾乎增加了一倍。

圖12 分裂繞組電機輸出特性曲線

圖13 分裂繞組電機輸出效率map

3 實驗驗證

分裂繞組電機試驗樣機如圖14所示，分裂繞組電機接線盒內(nèi)部引出線如圖15所示，兩段式分裂繞組共計9個引出頭，其中A、B、C端接控制器輸出，A1，B1，C1和A2，B2，C2分別接切換開關(guān)K1和K2。

圖14 分裂繞組電機樣機

圖15 分裂繞組引出線圖

將電機安裝在臺架上進(jìn)行性能測試，如圖16所示，電機通過減速器、傳動軸和后橋的差速器連接，后橋兩端各布置一個測功機，可以模擬車輛的具體運行狀態(tài)，電機和差速器的連接如圖17所示。

圖16 分裂繞組電機臺架試驗

電機測試過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，中控室操作界面如圖18所示。設(shè)定轉(zhuǎn)速后測功機測取轉(zhuǎn)矩值，本測試所用電機減速器變比3.07，后橋差速器減速比6.15，總計減速比18.8，界面中左右轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別顯示的是兩個測功機的測量值，即代表實際車輛運行時輪轂的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，兩邊轉(zhuǎn)矩之和除以減速比即為電機輸出轉(zhuǎn)矩。

圖17 分裂繞組電機與差速器連接

圖18 電機性能測試界面

根據(jù)測試數(shù)據(jù)繪制電機實際工作效率map如圖19所示。和仿真計算一致，該圖有兩個高效率區(qū)域，不過高速區(qū)的實測效率值要大于計算值。由于測試臺架的轉(zhuǎn)速限制，測試只能進(jìn)行到12 000 r/min，根據(jù)效率分布趨勢來看,更高轉(zhuǎn)速時的實測效率值依然要大于計算值，可見,分裂繞組電機對于效率的提高是十分見效的。

圖19 分裂繞組電機實測效率map

將電機的效率值結(jié)合電動汽車具體蓄電池參數(shù)，用ADVISOR軟件計算續(xù)航里程，計算結(jié)果如圖20所示，分裂繞組電驅(qū)動系統(tǒng)對比普通電驅(qū)動系統(tǒng)的電動汽車?yán)m(xù)航里程整體提升了約30%。

圖20 電動汽車?yán)m(xù)航里程對比

4 結(jié) 語

本文以純電動物流車用驅(qū)動電機為應(yīng)用對象，設(shè)計并制造了一臺分裂繞組永磁同步電機，通過仿真分析和實測得出以下結(jié)論：

1) 電機定子繞組采用分裂繞組形式可以額外增加電機的高效率區(qū)域，能有效地提高電驅(qū)系統(tǒng)的效率，從而延長電動車?yán)m(xù)航里程。

2) 電機定子繞組采用分裂繞組形式可以大幅降低電驅(qū)系統(tǒng)的最大伏安容量，從而減小體積、增加功率密度、降低成本。

3) 分裂繞組的設(shè)計既要考慮到電機低速大轉(zhuǎn)矩特性，又要保證電機高速時較低的感應(yīng)電動勢，需要對分裂轉(zhuǎn)速點和繞組分裂前后匝數(shù)比進(jìn)行優(yōu)化計算。

4) 分裂繞組電機可以根據(jù)弱磁區(qū)間的范圍靈活地選取繞組分裂段數(shù)，以此來代替多檔式機械變速箱，提高電驅(qū)系統(tǒng)功率密度，并且以電切換代替機械切換，可以提高換擋靈敏度。