邢曉春，史涔溦

(浙江大學(xué)，浙江 310027)

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電動汽車用容錯直驅(qū)輪轂電機(jī)的設(shè)計

邢曉春，史涔溦

(浙江大學(xué)，浙江 310027)

設(shè)計了一種基于子電機(jī)的新型結(jié)構(gòu)混合的異型直驅(qū)輪轂電機(jī)，用于驅(qū)動輪轂電動汽車。該電機(jī)的定子設(shè)計成兩種不同的結(jié)構(gòu)尺寸配合相應(yīng)的電磁參數(shù)，共用同一個轉(zhuǎn)子，在氣隙圓周上構(gòu)成4個子電機(jī)，控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對各子電機(jī)的獨立控制。首先根據(jù)電動汽車兩種頻繁工作點——低速起動和高速恒速，分別設(shè)計了額定值對應(yīng)這兩種工作點的電機(jī)，采用id=0和弱磁控制策略，并結(jié)合2D有限元仿真，分析了兩種電機(jī)各自的穩(wěn)態(tài)運行性能，繪制兩種電機(jī)對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速與效率圖。然后將兩種電機(jī)組合成4個子電機(jī)，并優(yōu)化調(diào)整參數(shù)，仿真分析了組合后的異型混合電機(jī)運行性能。仿真結(jié)果表明，組合后的異型混合電機(jī)在低速和高速工作區(qū)域均具有較高的運行效率，并具有良好的容錯性能。

電動汽車;直驅(qū)輪轂電機(jī);容錯電機(jī);電機(jī)設(shè)計；有限元

0 引 言

在全世界倡導(dǎo)節(jié)能減排的大背景下，電動汽車成為了近些年的研究熱點。驅(qū)動電機(jī)是電動汽車的核心部件，其性能的優(yōu)劣對電動汽車的整車性能有直接影響。研發(fā)高性能電動汽車驅(qū)動電機(jī)是目前電動汽車研究領(lǐng)域的重要方向之一[1-2]。

輪轂電機(jī)技術(shù)又稱車輪內(nèi)裝電機(jī)技術(shù)，將動力、傳動和制動集中在輪轂內(nèi)，省去中間傳遞機(jī)構(gòu)，節(jié)省空間，提高效率，并可實現(xiàn)更復(fù)雜的多輪組合驅(qū)動方式。輪轂電機(jī)驅(qū)動形式分為輪邊帶減速驅(qū)動和直接驅(qū)動兩種。輪邊帶減速驅(qū)動輪轂電機(jī)采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，經(jīng)行星齒輪，減速增扭。直接驅(qū)動輪轂電機(jī)常采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式，電機(jī)直接與輪輞相連，采用低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)[3]。本文研究對象為直驅(qū)輪轂電機(jī)。

對輪轂電機(jī)電動汽車，電機(jī)長期工作在有水、油污、灰塵等的工作環(huán)境。客觀上，電元件的可靠性不及機(jī)械元件，電動汽車運行過程中故障可能性較大。傳統(tǒng)的三相電機(jī)在發(fā)生繞組故障時，電機(jī)轉(zhuǎn)矩會急劇下降引起車輛劇烈振動，極大威脅整車以及車內(nèi)人員的安全[2]。電機(jī)的容錯是指電機(jī)系統(tǒng)在發(fā)生故障時仍可以保持工作性能與正常狀態(tài)一樣或者相當(dāng)，并且，在故障情況下，電機(jī)具有故障保護(hù)和抑制功能，防止故障惡化和蔓延[4-5]。

電動汽車驅(qū)動用永磁同步電動機(jī)要滿足頻繁起停、頻繁加減速要求，即驅(qū)動電機(jī)要在低速或爬坡時輸出大轉(zhuǎn)矩；同時要具有很寬的高速恒功率調(diào)速范圍[6]。

參照現(xiàn)有四輪獨驅(qū)輪轂電機(jī)車輛模型及相關(guān)文獻(xiàn)[7-9]中實驗平臺數(shù)據(jù)，選擇車輛仿真參數(shù)。用MATLAB/Simulink搭建起動仿真模型和HWFET循環(huán)工況工作模型。分別確定對應(yīng)頻繁起停的工作區(qū)中心點1，(n，T)=(300 r/min,700 N·m)；對應(yīng)高速恒速運行的工作區(qū)中心點2，(n，T)=(700 r/min,350 N·m)。

本文針對電動汽車運行工況設(shè)計外轉(zhuǎn)子容錯永磁同步電機(jī)，將每一個輪轂電機(jī)設(shè)計為多個子電機(jī)配合工作[10]。同時，電機(jī)設(shè)計需要滿足整個運行范圍總體效率最高。文后設(shè)計了異型混合電機(jī)，可以滿足整個運行工況高效率運行。

1 電動汽車用容錯直驅(qū)輪轂電機(jī)的設(shè)計

為提高電機(jī)工作可靠性、提高電機(jī)工作區(qū)的整體運行效率，可以將電機(jī)設(shè)計為多子電機(jī)結(jié)構(gòu)。本文選用子電機(jī)數(shù)量為4，兩兩配合。

1.1 設(shè)計指標(biāo)

相數(shù)為3，4個子電機(jī)，額定直流電壓Udc=500 V。nN1=300 r/min,Tem1=700 N·m;nN2=700 r/min,Tem2=350 N·m。ηN=95%。

1.2 磁路設(shè)計

永磁體選擇需要考慮的各項性能參數(shù)有：最大磁能積(BH)max，剩余磁場強度Br和矯頑力Hc，熱穩(wěn)定性等[11]。對本文適用高可靠性的永磁容錯電機(jī)，選擇時需考慮永磁體抗退磁能力和功率密度，需要Hc，(BH)max較大。因直驅(qū)輪轂電機(jī)選用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子直接連接金屬輪輞，永磁體散熱較好，工作溫度要求不高，本文電機(jī)設(shè)計選用NdFeB材料。外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)永磁體采用表貼式。

1.3 電機(jī)尺寸選擇

首先，輪轂電機(jī)尺寸小于電動汽車輪輞尺寸。

永磁同步電機(jī)與一般電動機(jī)一樣，其主要尺寸受功率、轉(zhuǎn)速和電磁負(fù)荷的影響。

(1)[12]

式中：Da為電樞直徑；La為電樞鐵心長度；P′為計算功率；αi為極弧系數(shù)，0.6～0.8，取0.72；kφ為波形系數(shù)，kφ≈1.11；kw為繞組系數(shù)，取決于極槽比和斜槽角度；A為線負(fù)荷；Bδ為氣隙磁通密度，取值0.8Br；nH為電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

設(shè)計極槽數(shù)時需滿足三相、4個子電機(jī)，則極數(shù)需要是8的倍數(shù)，槽數(shù)需要是12的倍數(shù)。不同極槽配合對應(yīng)的各次諧波繞組系數(shù)如表1所示。

極數(shù)和槽數(shù)的最小公倍數(shù)決定電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩，在表1中，60/64一組最小公倍數(shù)最大，基波繞組系數(shù)最大，故本電機(jī)選擇極槽比64/60，kw= 0.951。

表1 不同極槽配合對應(yīng)繞組系數(shù)

代入公式，設(shè)計額定點分別對應(yīng)設(shè)計指標(biāo)中兩個工作點的電機(jī)。兩電機(jī)同為電動汽車輪轂電機(jī)所用，且兩電機(jī)對應(yīng)的子電機(jī)在后文需要配合使用，故外轉(zhuǎn)子、氣隙及磁極尺寸等相同。兩電機(jī)設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 兩電機(jī)設(shè)計參數(shù)表

1.4 子電機(jī)設(shè)計及仿真

將電機(jī)分瓣設(shè)計成4個子電機(jī)，子電機(jī)額定電流總和等于原電機(jī)額定電流，永磁磁鏈與原電機(jī)相同，極對數(shù)與原電機(jī)相同，子電機(jī)電阻與原電機(jī)電阻相同，子電機(jī)相電感與原電機(jī)電感成倍數(shù)關(guān)系，比例等于分瓣數(shù)量。

將兩個電機(jī)繞組分別重新分相，分別分成相同的4個子電機(jī)。電機(jī)總槽數(shù)為60，分成4份，每90°機(jī)械角度對應(yīng)的15個電機(jī)槽構(gòu)成一個子電機(jī)的定子部分。各子電機(jī)單獨控制。如圖1所示。

設(shè)計多電機(jī)結(jié)構(gòu)的主要目的是提高可靠性同時提高整體工作效率。接下來，需要對分子電機(jī)后不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩組合下運行效率進(jìn)行仿真。永磁同步電動機(jī)的控制方法有id=0控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流控制、弱磁控制等[13]。永磁體表貼式電機(jī)屬于隱極電機(jī)，id=0控制方法與最大轉(zhuǎn)矩/電流控制方法等價。

(a)1#電機(jī)(b)2#電機(jī)

圖1 電機(jī)仿真模型

由于子電機(jī)相電感與原電機(jī)電感成倍數(shù)關(guān)系，子電機(jī)相電感較大，在高速大轉(zhuǎn)矩運行工況，在反電勢過高時，改用弱磁控制。

電機(jī)分瓣后，電感、電阻比率變化，電機(jī)效率下降，相同電流可以達(dá)到的最高轉(zhuǎn)矩減小，極槽最小公倍數(shù)減小，轉(zhuǎn)矩紋波變大。為減小這些影響需要重新調(diào)整繞組導(dǎo)體數(shù)，并加入斜槽。利用Maxwell參數(shù)優(yōu)化功能[14]，經(jīng)多次仿真調(diào)試，1#電機(jī)的每槽導(dǎo)體數(shù)改為50，2#電機(jī)每槽導(dǎo)體數(shù)不變，電機(jī)斜槽角變?yōu)?0.5°。

對同種控制方式，同一工作點，電磁功率一定，鐵心損耗基本不變，各子電機(jī)工作電流相同時效率最高。而若想進(jìn)一步使整體工作效率高，可以給定不同子電機(jī)不同的控制方法，例如部分弱磁控制，部分id=0控制，并計算相應(yīng)效率最高的電流。

調(diào)節(jié)初始位置使電機(jī)A相軸線與q軸重合。通過線性調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電樞電流，可以實現(xiàn)對電機(jī)不同工作點的仿真。

首先，對兩電機(jī)分瓣后空載和額定工況下運行參數(shù)進(jìn)行仿真。采用id=0控制，直接給定正弦電流，每個子電機(jī)電流相同，均等于額定電流。仿真結(jié)果如表3所示。1#電機(jī)轉(zhuǎn)速在300 r/min和2#電機(jī)轉(zhuǎn)速在700 r/min時，空載反電勢曲線、額定電流下負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線如圖2所示。

表3 兩電機(jī)分瓣后額定工作點運行參數(shù)

(a)1#電機(jī)300r/min(b)2#電機(jī)700r/min

圖2 空載反電勢、電樞電流、負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線圖

在對電機(jī)兩個高頻工作點進(jìn)行仿真后，分別對1#電機(jī)、2#電機(jī)不同負(fù)載運行狀態(tài)進(jìn)行仿真，輸出負(fù)載反電勢、氣隙磁密波形及負(fù)載電流、電磁轉(zhuǎn)矩波形，方法同上。

在仿真不同狀態(tài)并比較數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以仿真兩種分瓣電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速與效率曲線[15]。給定電機(jī)轉(zhuǎn)速0～1 200 r/min，并分別在給定轉(zhuǎn)速條件下，采用id=0控制，給定不同電樞電流，感應(yīng)電勢不能超過極限電壓值。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時，反電勢超出極限電壓值，調(diào)節(jié)出現(xiàn)飽和，需采用弱磁控制，調(diào)節(jié)永磁磁鏈與電樞磁鏈夾角，以提高電磁轉(zhuǎn)矩。計算不同轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速狀態(tài)下電磁功率，并測得不同轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的線損、鐵心損耗、感應(yīng)電勢，求出不同狀態(tài)下效率值，描點，繪制等高線。分別如圖3、圖4所示。

在圖3中可以看到，1#電機(jī)最佳工作點是(300 r/min, 450 N·m)，不是(300 r/min,700 N·m)，這與調(diào)整繞組等參數(shù)導(dǎo)致電機(jī)分瓣后電機(jī)參數(shù)與原電機(jī)參數(shù)不成比例有關(guān)。而且，在低速區(qū)，隨著轉(zhuǎn)矩增大，電磁飽和現(xiàn)象明顯，導(dǎo)致與計算結(jié)果與仿真結(jié)果有偏離。在圖中還可以看出，1#電機(jī)調(diào)速范圍較窄。轉(zhuǎn)速很低時，最大電磁轉(zhuǎn)矩約可達(dá)到800 N·m。隨著轉(zhuǎn)速增加，采用id=0控制時，可達(dá)到的最大轉(zhuǎn)矩下降明顯。在電機(jī)轉(zhuǎn)速超過500 r/min時，采用id=0控制，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍很窄，需要配合弱磁控制。在轉(zhuǎn)速超過700 r/min時，只能采用弱磁控制。即轉(zhuǎn)速在700～1 200 r/min，只能采用弱磁控制，通過優(yōu)化調(diào)節(jié)永磁磁鏈與電樞磁鏈夾角獲得正弦電樞電流。

圖4為2#電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速與效率曲線。電機(jī)最佳工作點是(600 r/min,400 N·m)，最佳工作點偏離原因同上。(700 r/min, 350 N·m)也在高效率工作范圍內(nèi)。從圖中可以看出，2#電機(jī)調(diào)速范圍寬廣。轉(zhuǎn)速在0～600 r/min范圍內(nèi)，最高轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到800 N·m，轉(zhuǎn)速超過800 r/min時，欲提高轉(zhuǎn)矩時，需要采用弱磁控制。

圖3 1#電機(jī)T-n與效率等高線圖4 2#電機(jī)T-n與效率等高線

汽車行駛的特點是頻繁地啟動、加減速、停車等。在低速或爬坡時需要高轉(zhuǎn)矩，在高速行駛時需要低轉(zhuǎn)矩。電動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)能滿足汽車從零到最大行駛速度的要求。兩個電機(jī)效率曲線不同，1#電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩區(qū)域效率較高，2#電機(jī)在高速區(qū)效率較高，可以吸收兩種子電機(jī)優(yōu)勢，讓它們配合使用。如圖5所示，設(shè)計異型混合電機(jī)。

圖5 異型混合電機(jī)模型

4個子電機(jī)由兩種子電機(jī)組成。兩種子電機(jī)分別與1#電機(jī)、2#電機(jī)子電機(jī)相同。定義90°～180°和270°～360°對應(yīng)子電機(jī)為1，3子電機(jī)，與1#電機(jī)子電機(jī)相同；另外兩個子電機(jī)同2#電機(jī)子電機(jī)，分別為2，4子電機(jī)。每個子電機(jī)的定子部分為90°機(jī)械角度對應(yīng)的繞組，轉(zhuǎn)子部分為整個電機(jī)轉(zhuǎn)子。兩種子電機(jī)永磁磁鏈不同、電樞電阻不同，為減小轉(zhuǎn)矩脈動、提高電機(jī)效率，應(yīng)在負(fù)載條件下不同子電機(jī)輸出最優(yōu)電流組合。

取輪轂電機(jī)兩個高頻工作點做混合電機(jī)運行仿真。欲實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速要求，可以通過不同子電機(jī)多種電流組合實現(xiàn)。對混合電機(jī)實現(xiàn)兩個高頻工作點仿真，參數(shù)曲線如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7中可以看出，1，3子電機(jī)空載反電勢高于2，4子電機(jī)。對1，3子電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于700r/min時，空載反電勢相幅值已接近300V，僅通過id=0控制不能實現(xiàn)寬范圍調(diào)速，改用弱磁調(diào)速。

(a)混合電機(jī)各子電機(jī)300r/min空載反電勢(b)混合電機(jī)(300r/min，700N·m)電流、轉(zhuǎn)矩曲線

(c)混合電機(jī)與1#電機(jī)轉(zhuǎn)矩比較

(a)混合電機(jī)各子電機(jī)700r/min空載反電勢(b)混合電機(jī)(700r/min，350N·m)電流、轉(zhuǎn)矩曲線

(c)混合電機(jī)與2#電機(jī)轉(zhuǎn)矩比較

通過混合電機(jī)與1#電機(jī)和2#電機(jī)分別比較可知，在同樣的低速大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下，混合電機(jī)可以實現(xiàn)比1#電機(jī)更高的運行效率(93.2%>92.3%)和更小的轉(zhuǎn)矩紋波(0.92<1.72)；在同樣的高速大轉(zhuǎn)矩運行狀態(tài)下，混合電機(jī)與2#電機(jī)運行效率基本相同，均高于95%,而混合電機(jī)轉(zhuǎn)矩紋波明顯小于2#電機(jī)(0.59 <1.49)。因此，混合電機(jī)同時吸收了1#電機(jī)和2#電機(jī)的優(yōu)勢，可以做到更寬廣的運行范圍內(nèi)效率更高，轉(zhuǎn)矩紋波更小。

與1#電機(jī)相比，混合電機(jī)調(diào)節(jié)范圍寬，1#電機(jī)不能很好的滿足汽車高速恒速運行的要求，混合電機(jī)可以；混合電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動小，可使車內(nèi)人員乘坐更加舒適；混合電機(jī)子電機(jī)控制調(diào)節(jié)時靈活性高。

與2#電機(jī)相比，因為混合電機(jī)是由不同性能子電機(jī)組成，可以通過實現(xiàn)不同子電機(jī)輸出電流最優(yōu)組合，提高運行效率，所以混合電機(jī)驅(qū)動的電動汽車可以使汽車整個運行轉(zhuǎn)速下滿足高效率運行，降低能耗；混合電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動比2#電機(jī)??；混合電機(jī)控制更加靈活。

2 結(jié)論與展望

2.1 總結(jié)

為滿足電動汽車高可靠性與高運行效率的要求，本文設(shè)計了一種異型混合外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)，該電機(jī)由4個兩兩相同的兩種子電機(jī)組成。兩種子電機(jī)定子結(jié)構(gòu)不同，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相同。定子結(jié)構(gòu)尺寸及電磁參數(shù)均不同。各子電機(jī)可被單獨控制。文中采用id=0和弱磁控制策略，結(jié)合2D有限元對該電機(jī)低速和高速性能進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，混合電機(jī)在低頻和高頻區(qū)域均可實現(xiàn)運行效率在93%以上，且轉(zhuǎn)矩紋波較小。另外，由于該電機(jī)采用兩兩配對的子電機(jī)構(gòu)成方式，控制系統(tǒng)對每子電機(jī)可進(jìn)行單獨控制，若某個或某些子電機(jī)故障，可用其余子電機(jī)進(jìn)行一定程度的轉(zhuǎn)矩補償，具有良好的容錯性能。

2.2 結(jié)論

在對可靠性、乘車舒適性和運行效率要求均較高的場合，異型混合電機(jī)驅(qū)動的電動汽車有優(yōu)勢。

2.3 展望

(1) 文中有限元分析結(jié)果均是2D計算，未考慮端部效應(yīng)，計算電感偏小。計算得到的所有參數(shù)有一定偏差。

(2) 文中在繪制效率圖時，通過直接經(jīng)參數(shù)計算給定的電樞正弦電流，未考慮控制及狀態(tài)變換等對效率及其他參數(shù)的影響。

(3) 文中在繪制1#電機(jī)、2#電機(jī)效率圖時，未考慮控制方式配合可能帶來的優(yōu)化效果。理論上，可以給定不同子電機(jī)不同的控制方法，例如部分弱磁控制，部分id=0控制，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化計算可計算出使效率最高的電流。

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Design of a Fault-Tolerant Direct-Drive Hub Motor Used by Electric Vehicle

XING Xiao-chun,SHI Cen-wei

(Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

It shows a hybrid alien structure based on sub motors of in-wheel motor on application of electrical vehicle. The stator of motor is made up of two parts with different structure size and electromagnetic parameters. The two share a rotor stator part. Each of the stator part is made up of two identical parts. Therefore, there are four motors with two same different from the other same two in the air gap. Control system can realize independent control of each motor. According to the two frequency working points of electric car - starting at low speed and high speed constant speed, the paper designs two motors with rating respectively corresponding to the two kinds of working point. Usingid=0 and weak magnetic control, and analyzing the two motor steady state performance of their respective combined with 2 d finite element simulation, two motor correspondingT-nand efficiency curves are drawn. Then the combination of two kinds of motors, optimization of adjusting parameters, and the simulation analysis of the combination of different hybrid motor running performance are made. The simulation results show that after the combination of different hybrid motor at low speed and high speed work area needs of higher operation efficiency, and a good fault tolerant performance can be met.

electric vehicle; direct-drive in-wheel motor; fault-tolerant motor; motor design; FEM

2015-09-14

TM351;TM341

A

1004-7018(2016)10-0022-04

邢曉春(1991-)，女，碩士研究生，主要從事電動汽車電機(jī)設(shè)計。