1 前言

    隨著現(xiàn)代社會(huì)環(huán)境問(wèn)題的日益突出，低污染、高效率的純電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)展的趨勢(shì)。由于汽車(chē)運(yùn)行的特殊環(huán)境，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)的設(shè)計(jì)要注意以下3個(gè)要求：（1）電機(jī)啟動(dòng)力矩大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，過(guò)載能力強(qiáng)，能夠在比較寬的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒定功率的輸出；（2）電機(jī)的功率密度大，可以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部狹窄空間的安裝要求；（3）電機(jī)抗高溫、顛簸能力強(qiáng)，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜惡劣的環(huán)境。內(nèi)置式調(diào)速永磁同步電機(jī)以其效率高、功率密度大、體積小、良好的弱磁擴(kuò)速能力等優(yōu)點(diǎn)，成為了純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的首選。本文根據(jù)汽車(chē)的實(shí)際運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)了一款用于驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車(chē)的內(nèi)置式調(diào)速永磁同步電機(jī)，其額定功率P_N=30kW，最大功率P_max=65kW，額定轉(zhuǎn)速n_N=3000rpm，最高轉(zhuǎn)速n_max=7000rpm，單臺(tái)電機(jī)運(yùn)行，可驅(qū)動(dòng)2000kg的小汽車(chē)。

2 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)

    電磁設(shè)計(jì)的任務(wù)包括根據(jù)電機(jī)的性能指標(biāo)確定主要尺寸、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、估算并選擇永磁體的尺寸、選用的材料、設(shè)計(jì)定轉(zhuǎn)子沖片、選擇繞組連接方式、確定線(xiàn)圈匝數(shù)及熱平衡計(jì)算等，然后對(duì)初始方案進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算值不符合設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)則要返回相關(guān)步驟調(diào)整相關(guān)參數(shù)進(jìn)行迭代，計(jì)算值符合技術(shù)指標(biāo)則繼續(xù)往下計(jì)算，直到計(jì)算結(jié)果符合技術(shù)指標(biāo)為止，相關(guān)流程如圖1所示。

圖1 電機(jī)設(shè)計(jì)流程圖

2.1確定電機(jī)主要尺寸

    電機(jī)的主要尺寸是電樞直徑D_il和電樞長(zhǎng)度l_eff，其尺寸可以通過(guò)基本關(guān)系式來(lái)確定：

公式1 電機(jī)的主要尺寸確定

    上式中P'為計(jì)算功率，α為計(jì)算極弧系數(shù)，A為電負(fù)荷，B_δ為氣隙磁密基波幅值，n為轉(zhuǎn)速。為了提高汽車(chē)電機(jī)的啟動(dòng)和加速能力，電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩T_max要為額定轉(zhuǎn)矩T_N的2.5倍以上。永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩T_max與電磁負(fù)荷、電機(jī)主要尺寸有以下關(guān)系：

公式2 永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩T_max與電磁負(fù)荷、電機(jī)主要尺寸之間的關(guān)系

    永磁材料采用高性能的釹鐵硼，B_δ可達(dá)到0.85T，該電機(jī)采用強(qiáng)迫水冷系統(tǒng)，電負(fù)荷A可取35A/cm。同時(shí)考慮到電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部的安裝空間，最終取D_il=115mm，l_eff=200mm。

2.2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選擇

    傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)采用表貼式，每一塊永磁體對(duì)于一個(gè)極。本文設(shè)計(jì)的永磁電機(jī)磁鋼按“V”型結(jié)構(gòu)放置，由兩塊永磁體組成一個(gè)極。此結(jié)構(gòu)能有效增加勵(lì)磁，具有比較大的凸極率，可有效提高電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力。電機(jī)截面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.3永磁體尺寸的設(shè)計(jì)

    適合調(diào)速永磁同步電機(jī)使用的永磁材料只有稀土永磁材料，即釤鈷永磁和釹鐵硼永磁。相對(duì)于釤鈷永磁來(lái)說(shuō)，釹鐵硼永磁材料溫度系數(shù)高，居里溫度低，但是剩磁高，價(jià)格便宜，更適合民用。永磁體磁化方向長(zhǎng)度h_M與氣隙δ大小有關(guān)。由于永磁體是永磁電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)來(lái)源，因此h_M的選擇首先應(yīng)從電機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)平衡關(guān)系出發(fā)，先給定一個(gè)估計(jì)值，再根據(jù)電磁性能計(jì)算的結(jié)果再進(jìn)行調(diào)整；此外h_M還決定了永磁電機(jī)的抗去磁能力，因此還要根據(jù)電樞反應(yīng)去磁情況來(lái)最終決定h_M的取值。為調(diào)整電動(dòng)機(jī)的性能，還需要調(diào)整永磁體磁化寬度b_M，因?yàn)閎_M直接決定了永磁體提供磁通的面積。對(duì)于內(nèi)置徑向轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，永磁體尺寸估算公式為：

公式3 永磁體尺寸估算公式

公式4 永磁體磁化寬度計(jì)算公式

    其中δ₀為空載漏磁系數(shù)，K_t為電動(dòng)機(jī)的飽和系數(shù)，其值為1.05~1.2。K_a與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)，其取值范圍為0.7~1.2。根據(jù)估算結(jié)果初步給定值為b_M=70mm，h_M=5.6mm。

2.4轉(zhuǎn)子隔磁橋的設(shè)計(jì)

    內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的永磁體插在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，漏磁比較大，永磁體的利用率比表貼式的低，必須采取相應(yīng)的隔磁措施。隔磁使轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，機(jī)械強(qiáng)度變差，沖模的使用壽命縮短，因此在保證隔磁效果的前提下，隔磁措施越簡(jiǎn)單越好。

    本方案采用空氣和隔磁橋進(jìn)行隔磁，如圖3所示。圖中隔磁橋很窄，通過(guò)較小的磁通就讓其達(dá)到飽和，從而限制漏磁，達(dá)到隔磁的效果。隔磁橋的寬度越小，隔磁效果越明顯，磁鋼的利用率越高，但機(jī)械強(qiáng)度越差，容易造成鐵心變形。通常隔磁橋?qū)挾热?.8~1.5mm，本文取1mm。

圖3 轉(zhuǎn)子隔磁橋

2.5轉(zhuǎn)子偏心距的確定

    對(duì)于內(nèi)置式永磁同步電機(jī)可采用不均勻氣隙的方法來(lái)降低齒槽轉(zhuǎn)矩，讓氣隙磁密盡量正弦化，同時(shí)還可以讓繞組反電勢(shì)盡可能接近正弦波，降低輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高電機(jī)的性能。如圖4所示，轉(zhuǎn)子外表面與定子內(nèi)表面的圓弧不同圓心，兩者之間存在一個(gè)偏心距h，最大氣隙為δ_max，最小氣隙為δ_min。其中滿(mǎn)足R₂=R₁+h+δ_min。

圖4 永磁電機(jī)的偏心氣隙

    根據(jù)有限元的分析結(jié)果，不同的偏心距對(duì)于的齒槽轉(zhuǎn)矩值和空載氣隙磁密諧波畸變率如圖5、6所示。

圖5 齒槽轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子偏心距關(guān)系

圖6 氣隙磁密諧波畸變率與轉(zhuǎn)子偏心距關(guān)系

    由圖5、6可知轉(zhuǎn)子偏心距不是越大越好，在偏心距h=18mm時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩最小，h=16mm時(shí)諧波畸變率最小，氣隙磁密的正弦度最好。綜合考慮，本文取偏心距h=17mm。

2.6繞組的確定

   空載反電勢(shì)E₀是永磁同步電機(jī)一個(gè)非常重要的參數(shù)，由永磁體產(chǎn)生的空載氣隙基波磁通在電樞繞組中感應(yīng)生成。E₀的大小對(duì)永磁電機(jī)性能有很大的影響，合理設(shè)計(jì)的永磁電機(jī)，E₀與額定電壓的比值均在合理的范圍內(nèi)。當(dāng)永磁電機(jī)的其它尺寸參數(shù)已經(jīng)確定下來(lái)時(shí)，通過(guò)空載反電勢(shì)來(lái)確定繞組的匝數(shù)、連接方式、線(xiàn)規(guī)等就成為永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

    本項(xiàng)目中電動(dòng)汽車(chē)所攜帶的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所能提供的最大交流電壓為230V。一般永磁同步電機(jī)額定點(diǎn)空載反電勢(shì)要求盡可能接近并略小于工作電壓，但電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)運(yùn)行的速度范圍比較寬，因此E₀/U一般取較小值以滿(mǎn)足擴(kuò)速要求。本文計(jì)算了在單層繞組、2路并聯(lián)時(shí)，不同匝數(shù)分別對(duì)應(yīng)的空載反電勢(shì)E₀、空載電流I₀、額定電流I_N、最高轉(zhuǎn)速n_max，分別如表1、2所示。

表1 Y接法時(shí)不同匝數(shù)對(duì)應(yīng)參數(shù)

表2 △接法時(shí)不同匝數(shù)對(duì)應(yīng)參數(shù)

    由表1、2可知，隨著匝數(shù)的增加，空載反電勢(shì)上升，空載電流和額定電流下降，最高轉(zhuǎn)速也隨之下降。綜合各項(xiàng)指標(biāo)，本方案的繞組采用△接法、10匝的方案。本方案具體尺寸參數(shù)如表3所示。

表3 電動(dòng)機(jī)的具體尺寸參數(shù)

3 永磁電機(jī)電磁方案仿真

3.1空載漏磁系數(shù)的計(jì)算

    由于本方案采用磁鐵內(nèi)置的方式，漏磁比永磁體表貼時(shí)要大，因此空載漏磁系數(shù)是衡量永磁電機(jī)設(shè)計(jì)合理與否的一個(gè)重要參數(shù)。利用有限元軟件對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)進(jìn)行漏磁仿真計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。

圖7 永磁電機(jī)空載漏磁示意圖

    從圖7可以看到轉(zhuǎn)子中有一部分磁力線(xiàn)沒(méi)有穿過(guò)氣隙與定子繞組交鏈產(chǎn)生力矩，而是從磁鐵N極出來(lái)后穿過(guò)隔磁橋及加強(qiáng)筋回到S極。通過(guò)計(jì)算可以求出空載漏磁系數(shù)σ₀=1.26。

3.2空載反電勢(shì)

    永磁電機(jī)空載反電勢(shì)波形的正弦程度對(duì)電機(jī)有非常重要的作用，一般來(lái)說(shuō)反電勢(shì)的正弦度越好，輸出的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小，電機(jī)就越平穩(wěn)。

圖8 空載反電勢(shì)波形

圖9 空載反電勢(shì)傅立葉分解

    本方案在額定點(diǎn)的反電勢(shì)及其傅立葉分解圖如圖8、9所示。由圖可得反電勢(shì)的波形比較接近正弦波，諧波畸變率為11.8%。

3.3輸出轉(zhuǎn)矩

    輸出轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)程度是電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)，直接關(guān)系到電動(dòng)汽車(chē)的振動(dòng)狀況及乘車(chē)的舒適性。本方案通過(guò)一系列的優(yōu)化方式，使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)非常小，基本上接近直線(xiàn)，如圖10所示，能夠滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)要求。

圖10 永磁電機(jī)在額定點(diǎn)的輸出轉(zhuǎn)矩

4 試制樣機(jī)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)

    根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，制作了樣機(jī)并進(jìn)行裝車(chē)實(shí)驗(yàn)，如圖11、12所示。

圖11 電機(jī)樣機(jī)

圖12 電動(dòng)汽車(chē)樣機(jī)

    以測(cè)功機(jī)為負(fù)載，在矢量控制方式下對(duì)樣機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性測(cè)試，結(jié)果如圖13所示。可見(jiàn)，樣機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩大，恒功率運(yùn)行范圍廣，從而使整車(chē)具有強(qiáng)加速能力及低速爬坡能力，又具有比較高的行駛速度。

圖13 電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性圖

5 結(jié)語(yǔ)

    本文設(shè)計(jì)一款驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的P_N=30kW、n_N=3000rpm調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算出電機(jī)的主要尺寸，對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、永磁體尺寸、隔磁措施進(jìn)行了分析，并根據(jù)電機(jī)在額定工況的反電勢(shì)及超速性能確定電樞繞組的連接方式和匝數(shù)。對(duì)電機(jī)的空載漏磁系數(shù)、反電勢(shì)的諧波畸變率、輸出轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行了仿真，最后制作了樣機(jī)并進(jìn)行了裝車(chē)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果該電機(jī)符合電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)要求，為下一步的優(yōu)化工作打下基礎(chǔ)。

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本文標(biāo)題：電動(dòng)汽車(chē)用調(diào)速永磁同步電機(jī)分析與設(shè)計(jì)

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