王曉遠，杜靜娟，譚明作

(1.天津大學(xué),天津300072;2.柳州五菱柳機動力有限公司,柳州545005)

0 引 言

電動汽車以其高效、無污染、低噪聲等優(yōu)點在全球范圍內(nèi)引起研制熱潮[1],而驅(qū)動電機作為電動汽車的核心部件,已成為電機領(lǐng)域的熱門研究之一。永磁同步電機的結(jié)構(gòu)簡單、高效,調(diào)速性能好的優(yōu)點,作為車用驅(qū)動電機受到高度關(guān)注。

為了實現(xiàn)車用永磁同步電機的高功率密度,電機的高速化是一個重要方向。隨著轉(zhuǎn)速的提高,交變頻率增大,會引起轉(zhuǎn)子和永磁體損耗增大,優(yōu)化設(shè)計降低損耗是措施之一。由于高功率密度設(shè)計導(dǎo)致較高的電磁負荷,會導(dǎo)致繞組絕緣溫度過高和永磁體退磁的問題,影響電機使用壽命和平穩(wěn)運行的可靠性,因此合理散熱也是重要的措施之一。

本文針對內(nèi)置式永磁同步電機(以下簡稱IPMSM)的特點,應(yīng)用有限元軟件進行優(yōu)化磁場設(shè)計以達到降低損耗目的,減小齒槽轉(zhuǎn)矩進而降低振動噪聲,滿足車用的需求。應(yīng)用FEM和磁路計算2種方法對主要參數(shù)進行比較分析,通過實驗測試的空載反電勢驗證2種方式的準確性。文中進一步對IPMSM進行磁熱耦合分析,預(yù)估IPMSM溫度分布,為下一步的冷卻散熱選擇提供依據(jù)。

本文研究的內(nèi)置式永磁同步電機,功率為30 kW,額定轉(zhuǎn)速為4500 r/min,功率密度為1.2 kW/kg。該設(shè)計電機采用6極36槽雙層繞組,定子槽采用梨形槽,絕緣耐溫限值125 K;轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為內(nèi)置“V一”型磁鋼,磁鋼材料為釹鐵硼N35SH,耐溫150℃;本電機采用矢量控制方法,在寬高效區(qū)、寬調(diào)速范圍的要求上有自己的優(yōu)勢。具體參數(shù)如表1所示,電機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 車用IPMSM主要參數(shù)

圖1 IPMSM結(jié)構(gòu)圖

1 內(nèi)置永磁電機電磁場分析

1.1 損耗分析

本文通過有限元電磁場計算的損耗進行分析。其中電機鐵損[2]由磁滯損耗和渦流損耗組成,公式如下:

本文研究電機頻率為225 Hz,由于高頻高速下的疊片鐵耗隨頻率成冪指數(shù)變化,因此電機定轉(zhuǎn)子疊片選擇為中頻0.2 mm的B20AT1200電工鋼片,代替?zhèn)鹘y(tǒng)0.35 mm的DW270-35矽鋼片,能很大程度降低鐵耗。2種矽鋼片對比的具體參數(shù)如表2所示。

表2 2種不同厚度的矽鋼片鐵耗比較

有限元模型中,采用0.2 mm B20AT1200作為定轉(zhuǎn)子矽鋼片建模,給出IPMSM的磁滯損耗密度和渦流損耗密度的云圖如圖2,圖3所示。

圖2 IPMSM磁滯損耗密度圖

圖3 IPMSM渦流損耗密度圖

由圖2和圖3可知,定子疊片的磁滯損耗密度高于渦流損耗密度,且磁滯損耗和渦流損耗密度的峰值在定子槽口附近,兩者峰值近似,為2.3×10-7kW/mm3。

由于本設(shè)計電機頻率為225 Hz,相比DW270-35矽鋼片,選擇薄片0.2 mm電工鋼片,中頻下鐵心損耗降低12%。

1.2 磁密分析

針對內(nèi)置式永磁同步電機,在轉(zhuǎn)子的永磁體用量相同的情況下,應(yīng)用有限元軟件分別對V型和“V一”型磁體結(jié)構(gòu)計算氣隙磁密,結(jié)果比較如圖4所示。

圖4 2種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的氣隙磁密比較圖

由圖4仿真結(jié)果顯示,V型磁體的最大氣隙磁密為0.7 T,“V一”型磁體的最大氣隙磁密為0.8 T,增大14.3%。采用“V一”型減少漏磁通,有效地增大氣隙磁密,對電機性能有一定提升。內(nèi)置式永磁同步電機采用內(nèi)置式“V一”型磁鋼結(jié)構(gòu),經(jīng)過有限元計算的磁密云圖和相對磁導(dǎo)率分布如圖5所示。

圖5 “V一”型IPMSM 1/4模型的磁密和相對磁導(dǎo)率圖

由仿真結(jié)果可以看出:該電機磁場分布均勻,磁力線在“一”型磁體上分成2路,分別經(jīng)過定子齒冠后與相鄰永磁體形成閉合磁路。轉(zhuǎn)子極與極之間的相對磁導(dǎo)率較大,磁場較低;2個“V”型磁塊之間的位置相對磁導(dǎo)率很大,磁場偏低。

1.3 振動噪聲影響

車用驅(qū)動電機對于噪聲振動的要求較高。噪聲來源主要為以下幾部分:電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力導(dǎo)致的噪聲。本文針對電磁噪聲的降低,通過削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法來實現(xiàn)。影響齒槽轉(zhuǎn)矩的因素有電機充磁方式、極弧系數(shù)、極槽配合、齒靴高度、永磁體厚度、定轉(zhuǎn)子斜槽,輔助槽等[1],斜槽是目前應(yīng)用最為廣泛有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩的措施之一。斜槽一般是將定子繞組直線部分斜0.5～1個槽距[2],因此導(dǎo)體感應(yīng)的齒諧波電勢的相位錯開,大大削弱齒諧波。永磁同步電機定子斜槽系數(shù)的計算公式[3]如下:

式中:Ksk1為斜槽系數(shù);tsk為定子斜槽距離;τ1為極距;Q1為定子槽數(shù),數(shù)值為36;p為極對數(shù),數(shù)值為3;Di1為定子內(nèi)徑,數(shù)值為115 mm;計算得到為Ksk1=0.99。

本文通過FEM來分別討論Ksk1=0(直槽),Ksk1=0.50,Ksk1=0.99 3種情況對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響,詳見圖6和表3,表3列出3種斜槽系數(shù)的齒槽轉(zhuǎn)矩和平均轉(zhuǎn)矩的具體數(shù)值。

圖6 斜槽數(shù)對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

表3 斜槽系數(shù)對轉(zhuǎn)矩影響結(jié)果

該電機選擇斜槽系數(shù)為0.99的定子設(shè)計,額定轉(zhuǎn)矩為61.1 N·m,齒槽轉(zhuǎn)矩幅值為額定轉(zhuǎn)矩的0.04%,小于0.1%,滿足工況要求。

斜槽對于反電勢波形的影響如圖7所示。從仿真結(jié)果可以看出,斜槽系數(shù)為0.99比直槽的反電勢正弦性好很多。

圖7 直槽與斜槽時的反電勢

本文設(shè)計的內(nèi)置式“V一”型永磁同步電機采用定子斜槽系數(shù)為0.99,不僅得到正弦性的反電勢曲線,而且大幅度降低齒槽轉(zhuǎn)矩改善了振動和噪聲,滿足車用的工況需求。且通常定子最佳斜槽近似為一個定子槽距得以驗證。

1.4 主要參數(shù)的有限元法分析

本文設(shè)計的車用內(nèi)置式永磁同步電機,應(yīng)用有限元方法建模如圖8所示。

永磁同步電機的主要參數(shù)包括氣隙磁密、空載反電勢、轉(zhuǎn)矩、輸出功率、交直軸電感等,仿真分別如圖9、圖10所示。

圖8 有限元電機模型

圖9 IPMSM功率和轉(zhuǎn)矩的諧波圖(基波為225 Hz)

圖10 交直流電感隨電流的變化曲線

本文從有限元磁場仿真得出:氣隙磁密為0.8 T,交直流電感分別為0.58 mH和0.256 mH,空載反電勢峰值262 V。從圖10可以明顯看出,隨著電流的增加,反電勢系數(shù)變化很小,線性度很好。圖9為仿真出的轉(zhuǎn)矩和功率的諧波量,圖10為交直流電感隨電流的變化曲線。

2 溫度場分析

2.1 三維溫度場基本數(shù)學(xué)方程

三維溫度場的基本數(shù)學(xué)方程:

式中:T為溫度變量;t為時間;Kx,Ky,Kz為各方向上導(dǎo)熱系數(shù);qV為對應(yīng)區(qū)域生熱率;c為比熱容;ρ為對應(yīng)材料密度;S1為絕熱邊界面;S2為散熱邊界面;h為散熱系數(shù);K為S1和S2上的法向?qū)嵯禂?shù);T0為S2上周圍介質(zhì)溫度。

從溫度場基本公式中可以看出,各方向上的導(dǎo)熱系數(shù)決定了該方向上的穩(wěn)態(tài)溫升數(shù)值,而比熱容和密度的乘積則決定了瞬態(tài)溫升過程的快慢。

2.2 車用內(nèi)置永磁同步電機溫度場分析

定子繞組及絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜,槽內(nèi)包含多種材料屬性,如銅線、空氣、浸漬漆等,很難準確建模及計算。為簡化分析,假設(shè)槽內(nèi)所有絕緣同槽絕緣,繞組浸漬完全,端部均勻散熱;銅線看作一個等效導(dǎo)熱體,其他所有絕緣看成另外一個導(dǎo)熱體。

對30 kW電機按照連續(xù)工作制方式進行溫升考核,當(dāng)額定工況連續(xù)運行3.3 h的溫升達到穩(wěn)態(tài),在沒有冷卻系統(tǒng)下的仿真的穩(wěn)態(tài)溫度分布圖和溫升曲線如圖11和圖12所示。從溫升曲線和分布圖來看,在沒有冷卻系統(tǒng)的情況下,當(dāng)達到熱平衡時,IPMSM的最高溫度在繞組端部,數(shù)值170℃,溫升為150 K,超出絕緣限制125 K。如果考慮仿真誤差和絕緣壽命,15℃作為溫度余量,水套冷卻系統(tǒng)降低約40℃(約800 W熱量)來滿足定子絕緣125 K的要求。后續(xù)將針對需要額外的800 W散熱要求對水冷水套尺寸和水流量進行設(shè)計和仿真。

圖11 IPMSM在12 000 s的溫升(截圖)

圖12 IPMSM在12 000 s的溫度場分布(截圖)

3 試驗驗證

對樣機進行空載反電勢試驗,其裝置如圖13所示。

采用正弦波驅(qū)動器供電,繞組采用的是三相Y接形式,對空載線反電勢波形進行試驗,波形如圖14所示。

由試驗測出,當(dāng)頻率為225 Hz時空載反電勢峰值為256.3 V,與有限元仿真的反電勢峰值262 V非常接近,誤差為2%。由此可知,實驗測得的空載反電勢來驗證有限元仿真結(jié)果,吻合較好,進而驗證車用內(nèi)置永磁同步電機有限元設(shè)計的精確性。

4 結(jié) 語

本文研究的是內(nèi)置式“V一”型永磁同步電機,應(yīng)用有限元軟件進行優(yōu)化設(shè)計以達到降低損耗目的、減小齒槽轉(zhuǎn)矩進而降低振動噪聲,滿足車用的需求。本文應(yīng)用有限元方法對主要參數(shù)(交直流電感、轉(zhuǎn)矩和功率諧波分量)進行分析,實驗測試的空載反電勢與有限元結(jié)果吻合得較好,驗證有限元設(shè)計的準確性。

文中對IPMSM進行磁熱耦合分析,預(yù)估IPMSM溫度分布,后續(xù)將針對需要額外的800 W散熱要求對冷卻系統(tǒng)進行設(shè)計和仿真。

參考文獻

[1] 夏加寬,于冰,黃偉.減小齒槽轉(zhuǎn)矩的永磁電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].電氣技術(shù),2009(12):23-25.

[3] 唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計[M].第1版.北京:機械工業(yè)出版社,1997.

[3] 喬鳴忠,魏建華,葉紅春.考慮定子斜槽及轉(zhuǎn)子運動的外轉(zhuǎn)子無刷直流電機數(shù)值計算[J].大電機技術(shù),2006(2):38-41.

[4] 羅宏浩,廖自力.永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩的諧波分析與最小化設(shè)計[J].電機與控制學(xué)報,2010(4):36-40.

[5] 魏永田,孟大偉,溫佳斌.電機內(nèi)的熱交換[M].第1版.北京:機械工業(yè)出版社,1998:266.

[6] 孔曉光,王鳳翔,邢軍強.高速永磁電機的損耗計算與溫度場分析[J].電工技術(shù)學(xué)報,2012(9):166-173.

[7] 吳桂珍,孟大偉,許明宇.高能量密度水冷電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計與熱力計算[J].防爆電機,2008(3):1-3,21.

[8] HETEMI F,DAJAKU G,GERLING D.Influence of magnet thickness and magnet orientation on the performance of IPMSM[C]//XIX International Conference on Electrical Machines.IEEE,2010:1-4.

[9] ZHU Z Q,HOWE D.Electrical machines and drives for electric,hybrid,and fuel cell vehicles[J].Proceeding of the IEEE,2007,95(4):746-765.