吳應(yīng)軍，喬維高，蹇林旎

(1.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北武漢 430070;2.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東深圳 518055)

諧波電機(jī)是一種新型結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)。外轉(zhuǎn)子諧波電機(jī)具有低速高轉(zhuǎn)矩的特性，能夠直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，特別適合于當(dāng)今最具有發(fā)展?jié)摿Φ妮嗇炿姍C(jī)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

目前關(guān)于諧波電機(jī)的研究得到了廣泛的重視，如集成磁性齒輪的外轉(zhuǎn)子諧波電機(jī)［1］、優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后的諧波電機(jī)［2］和定子為集中繞組的諧波電機(jī)［3］等，還有各種不同電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)比分析。這些研究主要集中在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化和電機(jī)尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)上，但是對(duì)該電機(jī)的弱磁能力沒(méi)有深入地計(jì)算和分析，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁特性和弱磁能力直接影響電動(dòng)汽車的工作性能，因此研究該電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力很有必要。

1 諧波電機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

外轉(zhuǎn)子永磁諧波電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由外轉(zhuǎn)子、永磁體、內(nèi)定子(包括調(diào)磁塊和繞組線圈)等組成。外轉(zhuǎn)子直接與電動(dòng)汽車的輪轂連接，內(nèi)定子部分與固定軸連接。

圖1 外轉(zhuǎn)子永磁諧波電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

定子繞組分布圖如圖2所示，圖中1、2、3…為槽數(shù)，A、B、C 為三相繞組的頭端，X、Y、Z 為三相繞組的尾端。每極每相槽數(shù)q=0.5，相數(shù)m=3，因此該定子繞組是分?jǐn)?shù)槽集中繞組。

圖2 繞組連接圖

1.2 工作原理

永磁諧波電機(jī)與傳統(tǒng)永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似，但是諧波電機(jī)的定子靠近永磁體的位置分布著一系列的齒，該齒相當(dāng)于磁性齒輪［4］的調(diào)磁塊，用于調(diào)節(jié)永磁體的磁場(chǎng)分布。根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換定理:兩個(gè)磁場(chǎng)要進(jìn)行穩(wěn)定的能量傳遞，這兩個(gè)磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)必須相同。傳統(tǒng)的電機(jī)是轉(zhuǎn)子的主磁場(chǎng)磁極對(duì)數(shù)與定子的主磁場(chǎng)磁極對(duì)數(shù)相同而進(jìn)行能量的傳遞，達(dá)到電機(jī)工作的目的。而諧波電機(jī)是通過(guò)調(diào)磁塊調(diào)節(jié)永磁體的主磁場(chǎng)，讓其產(chǎn)生一系列的諧波磁場(chǎng)，其中的某次諧波磁場(chǎng)與電機(jī)定子極對(duì)數(shù)相同而傳遞穩(wěn)定的能量［5］。

諧波電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行滿足基本條件［6］為:

式中:pr為外轉(zhuǎn)子永磁鐵的磁極對(duì)數(shù);ns為調(diào)磁塊的個(gè)數(shù);ps為繞組極對(duì)數(shù);Gr為轉(zhuǎn)子定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速比。

該電機(jī)的外轉(zhuǎn)子有16對(duì)永磁體，內(nèi)定子有6個(gè)槽，每個(gè)齒被分為3個(gè)調(diào)磁塊，調(diào)磁塊個(gè)數(shù)ns=18，因此繞組極對(duì)數(shù)ps=2。從式(2)可以得出轉(zhuǎn)子定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速比Gr=-8，因而外轉(zhuǎn)子的速度只有傳統(tǒng)電機(jī)同樣繞組極對(duì)數(shù)的1/8，定子磁場(chǎng)的方向與轉(zhuǎn)子方向相反。

2 系統(tǒng)仿真結(jié)果及其分析

2.1 仿真對(duì)象模型的主要參數(shù)

利用Ansoft軟件［7］中的 Maxwell 2D 模塊建立外轉(zhuǎn)子諧波電機(jī)的二維模型，其中仿真對(duì)象模型的主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真對(duì)象模型的主要參數(shù)

2.2 靜態(tài)場(chǎng)的分析

外轉(zhuǎn)子永磁諧波電機(jī)空載磁力線如圖3所示。從圖3中可以得出電機(jī)外轉(zhuǎn)子的16對(duì)永磁體磁場(chǎng)通過(guò)18對(duì)調(diào)磁塊調(diào)制作用后形成了兩對(duì)磁極對(duì)，與內(nèi)定子繞組的兩對(duì)磁極對(duì)相同，從而傳遞穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩。

圖3 外轉(zhuǎn)子永磁諧波電機(jī)空載磁力線

2.3 瞬態(tài)場(chǎng)分析

圖4所示為空載反電動(dòng)勢(shì)-時(shí)間波形圖，隨著外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，永磁體的磁場(chǎng)在內(nèi)定子的繞組中產(chǎn)生了三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)A、B、C，且三相電動(dòng)勢(shì)的相位差為120°電角度，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值為92 V。

圖4 空載反電動(dòng)勢(shì)-時(shí)間波形圖

圖5為電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。由于該力的作用會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，且產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，因此降低電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩可以提高電機(jī)的工作性能。

圖5 齒槽轉(zhuǎn)矩-時(shí)間波形圖

圖6(a)為空載氣隙磁密-機(jī)械角度的關(guān)系，圖6(b)為氣隙磁密的傅里葉分解。從氣隙磁密的傅里葉分解可得到空載時(shí)氣隙的基波磁場(chǎng)和一系列的諧波磁場(chǎng)，諧波磁場(chǎng)是由18個(gè)調(diào)磁齒將永磁體的磁場(chǎng)調(diào)制而成的，16次諧波磁場(chǎng)為基波，其幅值最大為0.82 T;其次為2次諧波，其幅值為0.2 T，2次諧波的磁極對(duì)與定子繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁極對(duì)相同，能傳遞穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩。圖6中34次、20次、30次等諧波的幅值也較大，但是由于其磁極對(duì)與定子繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁極對(duì)不同而不能傳遞穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩。

3 弱磁能力的分析

電動(dòng)汽車電機(jī)的一個(gè)主要特點(diǎn)是要有較高的弱磁擴(kuò)速能力［8］。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的角頻率(轉(zhuǎn)速)高于轉(zhuǎn)折頻率(額定轉(zhuǎn)速)時(shí)，受限于供電電壓，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)已經(jīng)接近供電電壓，轉(zhuǎn)速不能增加，需要給電機(jī)的d軸通反向電流，產(chǎn)生去磁效果，抵消一部分永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁鏈，從而可以使轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，提高電機(jī)的速度區(qū)間［9］。

圖6 空載氣隙磁密

3.1 反電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩與內(nèi)功率因數(shù)角的關(guān)系

電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和反電動(dòng)勢(shì)分別由式(3)和式(4)［10］確定，且該電機(jī)為隱極電機(jī)。

由式(3)和式(4)可知:當(dāng)內(nèi)功率因數(shù)角ψ=0°時(shí)，Te達(dá)到最大值;ψ =90°時(shí)，Es達(dá)到最大值。該電機(jī)將A相繞組加電流源20sin(502.65 t+ψ)，同樣B、C相加相位相差120°的電流，分別計(jì)算內(nèi)功率因數(shù)角ψ從-180°到180°時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩和反電動(dòng)勢(shì)。如圖7為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=300 r/min時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩和A相繞組電壓有效值與內(nèi)功率因數(shù)角的關(guān)系曲線。從圖7可知:當(dāng)內(nèi)功率因數(shù)角ψ=0°時(shí)，A相繞組轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值Tmax=116 N·m，此時(shí)A相電壓的有效值U=130 V。

3.2 確定電機(jī)的調(diào)速范圍

圖7 電磁轉(zhuǎn)矩和A相繞組電壓與內(nèi)功率因數(shù)角的關(guān)系

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般要求電機(jī)的機(jī)械特性在低速時(shí)保持恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行;在高速時(shí)保持恒功率運(yùn)行。取額定轉(zhuǎn)速n=300r/min，圖8為電機(jī)的電壓和轉(zhuǎn)矩隨內(nèi)功率因數(shù)角變化的曲線。圖8中的電壓曲線從下到上分別表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1300、1400、1500、1600、1700 和 1800(單位均為r/min)時(shí)，電壓隨內(nèi)功率因數(shù)角的變化。逆變器允許最大電壓為130 V，電機(jī)的額定功率為3.64 kW。采用作圖法求出最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)，電機(jī)恒功率工作時(shí)電壓U和功率P必須滿足式(5)的邊界條件:

電機(jī)的輸出功率可以通過(guò)P=Tω計(jì)算。從圖8中可知當(dāng)轉(zhuǎn)速高于1300 r/min時(shí)，電機(jī)的最大功率都小于3.67 kW，不能滿足恒功率要求。當(dāng)轉(zhuǎn)速n=1300 r/min時(shí)，該電機(jī)能達(dá)到最大恒功率轉(zhuǎn)速，此時(shí)的內(nèi)功率因數(shù)角ψ=99°，若再增加轉(zhuǎn)速則不能滿足恒功率要求，因此轉(zhuǎn)速n=1300 r/min是恒功率所能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速。

圖8 電壓(轉(zhuǎn)矩)隨內(nèi)功率因數(shù)角的變化情況

圖9 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外特性

綜上所述，可以得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外特性曲線如圖9所示。電機(jī)的機(jī)械特性主要包括兩個(gè)工作區(qū)域:恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是從0到額定轉(zhuǎn)速n=300 r/min，該區(qū)間汽車處于起步加速工況。恒功率工作區(qū)是從額定轉(zhuǎn)速n=300r/min到最大轉(zhuǎn)速n=1300r/min，該區(qū)間電機(jī)的輸出功率保持恒定，但是輸出轉(zhuǎn)矩隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而降低。電機(jī)恒功率輸出特性能夠滿足車輛穩(wěn)定行駛的特性。以上兩種工況是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的理想外特性，但是電機(jī)在實(shí)際工作運(yùn)行過(guò)程中，由于受到許多外界因素的影響，很難實(shí)現(xiàn)上述理想外特性。因此電機(jī)不一定需要恒轉(zhuǎn)矩或者恒功率運(yùn)行。只要車輛行駛的工作點(diǎn)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的包絡(luò)線以內(nèi)即可。特別是當(dāng)電機(jī)處于高速運(yùn)行時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)降低電機(jī)的功率，繼續(xù)提高電機(jī)的調(diào)速范圍。此時(shí)功率小于額定功率的高速區(qū)域稱為自然特性區(qū)域，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1800 r/min時(shí)，電機(jī)電壓超過(guò)逆變器允許最大電壓，電機(jī)不能正常工作。

4 結(jié)論

筆者分析了諧波電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，應(yīng)用有限元軟件Ansoft對(duì)諧波電動(dòng)機(jī)的空載和負(fù)載的靜態(tài)和瞬態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果比較準(zhǔn)確地反映了諧波電機(jī)的工作原理，運(yùn)用有限元的計(jì)算方法分析了該電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力，得到了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的外特性曲線。

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