內(nèi)置式永磁同步電機(jī)高效區(qū)間研究

王光晨，于 冰，董小艷

(1.浙江中車(chē)尚馳電氣有限公司, 浙江 嘉興 311512；2.湖南省新能源汽車(chē)電機(jī)工程技術(shù)研究中心,湖南 株洲 412000)

0 引 言

效率成為電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)[1]。驅(qū)動(dòng)電機(jī)不僅追求更高的運(yùn)行效率，也在擴(kuò)大高效率區(qū)間所覆蓋的范圍。這意味著驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠更好的實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，有助于提升整車(chē)的續(xù)航能力[2]。為了滿足電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行需求，有必要對(duì)效率曲線圖中高效區(qū)間的分布情況進(jìn)行研究。

效率曲線圖是在轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩的平面上由電機(jī)最大外特性曲線所圍成的包絡(luò)，將不同轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩組合下相等的工作效率點(diǎn)連接起來(lái)組成的一簇等值線[3]。高效區(qū)間為效率曲線圖中高效率工作點(diǎn)所圍成的區(qū)域。

永磁同步電機(jī)以運(yùn)行效率高、弱磁調(diào)速范圍寬和功率密度大等優(yōu)異特性成為當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主流[4-6]。文獻(xiàn)[7]Heins等人通過(guò)建立永磁同步電機(jī)的損耗分量函數(shù)來(lái)研究效率曲線圖，將主要損耗分量表示成kmnImωn的形式，其中m和n均為整數(shù)，通過(guò)有限元仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了仿真計(jì)算的正確性；文獻(xiàn)[8]提出一種優(yōu)化城市電動(dòng)客車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)平均運(yùn)行效率的方法，并強(qiáng)調(diào)了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率區(qū)間比單點(diǎn)效率更為重要。文獻(xiàn)[9]通過(guò)試驗(yàn)比較的方法來(lái)研究永磁體的尺寸對(duì)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)效率曲線圖的影響。

本文以一款額定功率為100 kW的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，首先利用有限元方法根據(jù)電機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)?；陔姶拍Ｐ脱芯苛髓F心損耗和繞組銅耗對(duì)效率曲線圖中高效區(qū)間分布的影響，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

100 kW驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要性能和設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)電機(jī)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)，建立有限元電磁仿真模型。轉(zhuǎn)子拓?fù)溥x擇常規(guī)的V型結(jié)構(gòu)，通過(guò)隔磁橋的優(yōu)化來(lái)削弱電磁力；永磁體材料選擇磁性能最強(qiáng)的燒結(jié)釹鐵硼以滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能輸出；定子選擇梨形槽結(jié)構(gòu)，繞組形式為雙層疊繞[10]。該內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的電磁模型如圖1所示。

圖1 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)電磁模型

永磁同步電機(jī)的損耗主要包括鐵心損耗、繞組銅耗和永磁體渦流損耗等電氣損耗以及風(fēng)摩損耗、軸承摩擦損耗等機(jī)械損耗[11]。本文主要研究繞組銅耗和鐵心損耗對(duì)高效區(qū)間的影響。

2 鐵耗對(duì)高效區(qū)間的影響分析

永磁同步電機(jī)的鐵耗主要由磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗組成，通常由下式進(jìn)行計(jì)算[12-13]：

(1)

其中，中間系數(shù)K1，K2為

K1=Khf+Kcf2

(2)

K2=Kef1.5

(3)

式中，Ph，Pc，Pe分別為磁滯損耗、經(jīng)典渦流損耗和附加損耗；f為頻率，電機(jī)極數(shù)一定時(shí)，只與轉(zhuǎn)速有關(guān)；Bm為磁通密度幅值；Kh，Kc，Ke分別為磁滯損耗系數(shù)、經(jīng)典渦流損耗系數(shù)和附加損耗系數(shù)，與鐵心材料的屬性有關(guān)，各損耗系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(4)

式中，σ為電導(dǎo)率；d為鐵心材料的疊片厚度。

K1和K2通過(guò)求函數(shù)(5)的最小值得到

(5)

式中，Pvi，Bmi為鐵心材料B-P特性曲線上的第i個(gè)點(diǎn)。

(6)

(7)

式中，f0為B-P特性曲線的測(cè)試頻率。

2.1 鐵心材料對(duì)高效區(qū)間的影響

鐵心材料不同，各損耗系數(shù)是有差別的。圖2為某一鐵心材料的B-P特性曲線，每條曲線代表鐵心材料在不同頻率下，隨著 磁極化強(qiáng)度的正弦變化，單位質(zhì)量鐵心材料所消耗的總功率(比總損耗)。根據(jù)不同頻率下的B-P特性曲線擬合出不同鐵心材料的各損耗系數(shù)，如表2所示。

圖2 35W300在不同頻率下的B-P特性曲線

表2 不同鐵心材料的損耗系數(shù)

從表中可以看出，鐵心材料的各損耗系數(shù)隨著疊片厚度的增加呈遞增趨勢(shì)，尤其是渦流損耗系數(shù)，受疊片厚度的影響較大。

電機(jī)參數(shù)設(shè)置完全相同的情況下，采用上述的鐵心材料進(jìn)行有限元分析，得到不同鐵心材料電機(jī)高效區(qū)間的分布情況，如圖3所示。

圖3 不同鐵心材料的高效區(qū)間分布

從圖中可以看出，不同鐵心材料電機(jī)的高效區(qū)間主要圍繞著額定工作點(diǎn)分布。隨著鐵心材料的厚度和比總損耗的增加，鐵心損耗的占比增大，尤其是渦流損耗，電機(jī)的最高效率降低。厚度0.27 mm的鐵心材料的最高效率可達(dá)97.3%，厚度0.27 mm的鐵心材料的最高效率可達(dá)96.8%，厚度0.5 mm的最高效率只有94.30%。

高效區(qū)間的面積占比隨著鐵心材料的厚度和比總損耗的增加逐漸縮小。各鐵心材料≥95%的高效區(qū)間占比如表3所示。

表3 不同鐵心材料的高效區(qū)間占比

由此可見(jiàn)，為了提升電機(jī)的最高效率和高效區(qū)間的面積占比，可以選擇沖片厚度薄、比總損耗低的鐵心材料。

2.2 鐵心損耗曲線圖分析

100 kW驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用B27AV1400和35W300兩種鐵心材料的鐵心損耗曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 B27AV1400鐵心損耗曲線

圖5 35W300鐵心損耗曲線

在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，鐵心損耗曲線近似與轉(zhuǎn)矩軸平行。在該區(qū)域，磁通密度相對(duì)恒定且與轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)，因此產(chǎn)生了主要與轉(zhuǎn)速有關(guān)的鐵心損耗。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，鐵心損耗相對(duì)較小。

在恒功率區(qū)域，隨著轉(zhuǎn)速的增加，電機(jī)逐漸進(jìn)入深度弱磁狀態(tài)，定子電流不僅用于轉(zhuǎn)矩輸出，還要參與弱磁調(diào)速。鐵心損耗隨著頻率的增大而增大，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率均達(dá)到最大時(shí)，鐵心損耗也達(dá)到峰值，二者鐵心耗損的最大值分別為3001 W和4030 W。

3 銅耗對(duì)高效區(qū)間的影響分析

對(duì)于峰值轉(zhuǎn)速較低的永磁同步電機(jī)而言，運(yùn)行頻率相對(duì)較小，根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]中的研究表明，當(dāng)電機(jī)的頻率低于1 kHz時(shí)，繞組交流效應(yīng)產(chǎn)生的影響較小，甚至可以忽略不計(jì)。本文驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高頻率為300 Hz，故不考慮交流損耗效應(yīng)對(duì)繞組銅耗的影響。

3.1 繞組溫度對(duì)高效區(qū)間的影響

對(duì)于內(nèi)置式永磁同步電機(jī)而言，定子繞組是整機(jī)溫度最高的零部件，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得該驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子繞組的最高溫度可達(dá)147℃。繞組的電阻值隨著溫度的升高而增大，尤其是在峰值轉(zhuǎn)矩或峰值功率等工況，銅耗的占比增大，導(dǎo)致電機(jī)的運(yùn)行效率降低。當(dāng)只考慮繞組溫度的影響時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[11]中繞組的直流電阻近似表示為

RT=RT0[1+α(T-T0)]

(8)

式中，RT、RT0分別對(duì)應(yīng)溫度T和T0時(shí)的直流電阻值；α為溫度系數(shù)，α=4.27×10-3K-1。

(9)

式中，RT0為繞組溫度T0時(shí)的直流電阻；ρ0為銅線的電阻率，25℃時(shí)的ρ0=1.56×10-8Ωm；l為線圈長(zhǎng)度；Si為線圈的等效截面積。電機(jī)的繞組參數(shù)設(shè)置如下表所示。

由于電機(jī)的溫度不是固定值，而是隨著運(yùn)行時(shí)間和工況的變化而變化。而有限元法無(wú)法像試驗(yàn)測(cè)試能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的工作溫度，所以通過(guò)對(duì)不同溫度下的繞組電阻產(chǎn)生的銅耗進(jìn)行有限元分析，得到電機(jī)在不同溫度下大于95%的高效區(qū)間占比，如圖7所示。

圖6 不同電機(jī)溫度的高效區(qū)間占比

從圖中可以看出，隨著電機(jī)溫度的升高，高效區(qū)間的占比呈線性降低，由70℃的29.08%降低到120℃的21.48%。

3.2 并繞根數(shù)對(duì)高效區(qū)間的影響

在電機(jī)的鐵心長(zhǎng)度及材料相同的情況下，繞組參數(shù)設(shè)置如下表所示，并聯(lián)支路數(shù)為6，每槽導(dǎo)體數(shù)為20，并繞根數(shù)不同，純銅的槽滿率均在59%左右，分析并繞根數(shù)對(duì)電機(jī)高效區(qū)間的影響。

由上表可知，純銅的槽滿率在幾乎相同的情況下，繞組的相電阻隨著并繞根數(shù)的增加而增加，且效率曲線圖中大于95%的高效區(qū)間占比逐漸減小。在相同的電流下，電阻越小，產(chǎn)生的銅耗越少，電機(jī)的工作效率越高。所以，在保證并聯(lián)支路數(shù)、每槽導(dǎo)體數(shù)及槽滿率相同的情況下，減少并繞根數(shù)則增大線徑，有利于提高高效區(qū)間的占比。

3.3 繞組銅耗曲線圖分析

圖7為100 kW電機(jī)的繞組銅耗曲線。

圖7 繞組銅耗曲線

在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，銅耗曲線近似與轉(zhuǎn)速軸平行。在該區(qū)域，電機(jī)采用最大轉(zhuǎn)矩/電流的控制方式，定子電流的有效值和內(nèi)功率因數(shù)角近似恒定，繞組銅耗為定值，且與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)[16]。

在恒功率區(qū)域，隨著轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的增大，電機(jī)逐漸進(jìn)入深度弱磁狀態(tài)，需要的弱磁電流也隨之增加。若要在不同的轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生相同的電磁轉(zhuǎn)矩，需要輸入更大的定子電流，則產(chǎn)生更多的繞組銅耗。

4 電機(jī)試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)樣機(jī)采用的鐵心材料為35W300，繞組參數(shù)采用表4中的數(shù)值2，樣機(jī)試驗(yàn)如圖8所示，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的效率曲線圖如圖9所示。

表4 繞組參數(shù)及高效區(qū)間占比

圖8 100 kW樣機(jī)試驗(yàn)

圖9 100 kW電機(jī)實(shí)測(cè)效率曲線圖

試驗(yàn)測(cè)得該100 kW驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高效率為97%，與有限元分析的最高效率96.8%相接近；其中效率≥95%的高效區(qū)間占比為24.85%，比仿真計(jì)算的24.31%高出0.54%，其與繞組溫度在100℃時(shí)的效率占比相接近。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)有限元計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，分析了繞組銅耗和鐵心損耗對(duì)效率曲線圖中高效區(qū)間分布的影響，總結(jié)出不同鐵心材料、繞組溫度及并繞根數(shù)選擇等方面對(duì)高效區(qū)間分布的影響，并對(duì)鐵心損耗曲線和繞組銅耗曲線進(jìn)行了解釋。