一種電動拖拉機用雙U型永磁電機的設(shè)計與分析

謝偉　王海華

摘 ?要：根據(jù)拖拉機工作特性，文章設(shè)計了一種滿足丘陵山區(qū)復(fù)雜播種工況驅(qū)動需求的雙U型永磁同步電機。通過研究永磁體用量對輸出性能的影響，闡明實現(xiàn)雙U型永磁同步電機最佳轉(zhuǎn)矩輸出的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。研究結(jié)果表明：電機空載狀態(tài)時，定轉(zhuǎn)子磁軛未達到定轉(zhuǎn)子的飽和磁密，材料屬性得到了有效利用;在電機負載狀態(tài)時，電機的轉(zhuǎn)矩輸出及轉(zhuǎn)矩波動均能滿足電動拖拉機復(fù)雜工況的驅(qū)動需求。

關(guān)鍵詞：電動拖拉機;永磁同步電機;有限元仿真;轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TM352 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）31-0081-03

Abstract： According to the working characteristics of the tractor， this paper designs a double U-shaped permanent magnet （PM）synchronous motor which can meet the driving requirements of complex sowing conditions in hilly and mountainous areas. By investing the influences of the amount of permanent magnet on the output performances， the design scheme of rotor structure to realize the optimal torque output of the double U-shaped PM synchronous motor is expounded. The results show that when the motor is in no-load state， the magnetic yoke of the fixed rotor does not reach the saturation magnetic density of the material， and the material properties are effectively utilized. When the motor operates in loaded condition， the torque output and torque fluctuation of the motor can meet the driving requirements of the electric tractor under complex working conditions.

Keywords： electric tractor; permanent magnet synchronous motor; finite element simulation; rotor structure

1 概述

近年來，隨著環(huán)境污染和能源危機的加劇，純電動拖拉機以其無污染、低噪聲、低能耗、傳動效率高等優(yōu)點在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中逐漸得以應(yīng)用推廣。與傳統(tǒng)的燃油拖拉機相比，電動拖拉機的能量源主要來自于蓄電池。因此，受限于蓄電池能量密度低的技術(shù)瓶頸，電動拖拉機對其驅(qū)動系統(tǒng)的效率、轉(zhuǎn)矩密度、可靠性等提出了更加苛刻的要求。而作為驅(qū)動系統(tǒng)核心的電機，其設(shè)計性能的優(yōu)劣又是能否實現(xiàn)電動拖拉機整機驅(qū)動需求的關(guān)鍵。

作為稀土大國，我國高性能釹鐵硼永磁材料的年產(chǎn)量居于世界首位。因此，以高性能永磁材料為基礎(chǔ)的永磁同步電機得到了大力推廣與應(yīng)用。然而，近年來，國際稀土價格指數(shù)的不斷上漲，使得稀土永磁電機的加工成本不斷提高。減少稀土永磁體的用量，以較小的成本獲得高性能的永磁電機，成為國內(nèi)外電機設(shè)計制造領(lǐng)域研究的熱點問題[1-2]。

從國際研究來看，意大利都靈大學(xué)的學(xué)者設(shè)計了一臺12極72槽的電動汽車用永磁同步電機，試圖通過研究每層永磁體產(chǎn)生的磁動勢恒定條件來闡明減少永磁體用量的方法[3];美國德州農(nóng)業(yè)大學(xué)的學(xué)者對永磁輔助式同步磁阻電機的磁障寬度、磁障厚度等電機結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了分析，得出了針對該類電機的設(shè)計方法，驗證了通過增大磁阻轉(zhuǎn)矩的方式來減小永磁體用量的可行性[4]。國內(nèi)來說，江蘇大學(xué)、東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等眾多高校均有學(xué)者對少稀土類永磁同步電機進行研究[5]?？傮w來說，實現(xiàn)稀土永磁體的最佳利用率仍然是永磁電機設(shè)計領(lǐng)域的研究難點問題。

本文根據(jù)電動拖拉機的工作特性需求，設(shè)計了一種V型永磁同步電機。通過研究永磁體用量對輸出特性的影響，闡明實現(xiàn)V型永磁同步電機最佳轉(zhuǎn)矩輸出的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。將為電動拖拉機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計研究提供技術(shù)支撐。

2 永磁電機數(shù)學(xué)模型

永磁電機的數(shù)學(xué)模型包括電機定子相繞組的電壓方程、磁鏈方程，轉(zhuǎn)矩方程、機械運動方程等。其中，各相繞組兩端的電壓等于各相繞組壓降與感應(yīng)電勢之和，因此電壓方程為：

其中，up表示任一相繞組的端電壓，Rp表示繞組的內(nèi)阻，ip表示電樞電流，e表示繞組中的反電勢，？鬃p表示繞組中的合成磁鏈，p取a、b、c，表示電機的三相電樞繞組。

在忽略繞組互感作用時，任一相繞組的合成磁鏈為：

（2）

Lp表示定子繞組任一相繞組的自感，？鬃p表示任一相繞組的合成磁鏈，？鬃pmp表示任一相繞組中的永磁磁鏈，k為磁通調(diào)節(jié)系數(shù)。

在不考慮鐵耗的情況下，由電源輸入到電機內(nèi)的功率為：

對于旋轉(zhuǎn)電機，其機械運動方程為：

（4）

（5）

式（4）中，T為三相產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩，J為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，B為系統(tǒng)粘滯摩擦系數(shù)，Tl為系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)矩。

3 V型永磁電機的提出

本研究中的電機，定轉(zhuǎn)子采用型號為M19_29G的硅鋼片材料。為了增大磁阻轉(zhuǎn)矩，定子繞組采用的是分布式繞組結(jié)構(gòu)，并將轉(zhuǎn)子設(shè)計成雙層U型結(jié)構(gòu)。兩層磁障增大了d軸磁阻，有利于更好地利用磁阻轉(zhuǎn)矩。永磁體采用的是高性能的NdFe35材料。電機結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)如圖1及表1所示。

圖1 雙U型永磁同步電機

4 電機性能分析

4.1 靜態(tài)特性

圖2（a）給出了雙層U型永磁電機在空載條件下的磁力線分布?？梢钥闯?，永磁體產(chǎn)生的磁力線要穿過4層空氣磁障，d軸磁阻相對較大。此外，磁障與氣隙之間的磁橋處，存在少量漏磁通。從圖2（b）的電機磁密云圖分布可以看出，永磁體處產(chǎn)生的磁密度最大，除磁障與氣隙之間的磁橋處磁密呈高度飽和狀態(tài)外，電機轉(zhuǎn)子及定子磁軛的磁密均小于1.8T， 說明電機整體并未發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，有利于導(dǎo)磁材料的有效利用。

4.2 動態(tài)特性

由于本文設(shè)計的永磁電機需要滿足電動拖拉機多運行工況的需求。而電機的設(shè)計以節(jié)約價格昂貴的永磁體材料為目標之一。因此，本部分探討了永磁體用量與電機的輸出性能之間的影響關(guān)系。圖3給出了第一層永磁體厚度對電機轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動、效率以及d、q軸電感的影響?？梢钥闯?，當?shù)谝粚佑来朋w厚度逐漸增加時，電機的轉(zhuǎn)矩與效率呈現(xiàn)遞增的趨勢;而電機的轉(zhuǎn)矩波動則呈現(xiàn)出先增大后降低的變化趨勢。說明該類永磁電機的設(shè)計，并非永磁體用量越多越好，要兼顧效率、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩波動之間的制約關(guān)系。此外，隨著第一層永磁體厚度的增大，d軸電感基本保持不變，而q軸電感則有一定程度的降低，說明隨著永磁體用量的增加，電機d軸逐漸趨近磁飽和，永磁體的用量應(yīng)控制在一定的范圍。研究認為當?shù)谝粚佑来朋w厚度為4mm時，電機性能處于綜合最優(yōu)。

圖4給出了第二層永磁體對電機輸出性能的影響?？梢钥闯?，隨著第二層永磁體厚度增大，即永磁體用量的增加，輸出轉(zhuǎn)矩明顯增大。與第一層永磁體用量對轉(zhuǎn)矩的影響相比，當?shù)诙佑来朋w從3mm增加到5mm時， 轉(zhuǎn)矩由73.6Nm增大到82.2Nm，轉(zhuǎn)矩變化對永磁體厚度的變化更敏感。此外，第二層永磁體厚度的增大，輸出轉(zhuǎn)矩的波動逐漸降低，說明較少的永磁體用量有助于轉(zhuǎn)矩波動的降低。效率方面，當?shù)诙佑来朋w厚度由2mm增加到5mm時，效率值由92.6%增加到93.9%，變化幅度大于第一層永磁體用量對效率的影響。電感變化方面，第二層永磁體厚度與電感的變化與第一層永磁體比較類似，均存在飽和現(xiàn)象?？傮w來說，第二層永磁體的用量對電機性能的影響更加敏感，影響更大。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種滿足丘陵山區(qū)復(fù)雜播種工況驅(qū)動需求的雙U型永磁同步電機。通過研究永磁體用量對輸出性能的影響，闡明了雙U型永磁同步電機最佳性能輸出的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計方案， 為電動拖拉機驅(qū)動電機的設(shè)計提供了技術(shù)支持。

參考文獻：

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