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(中車永濟電機有限公司,山西永濟 044502)
電動汽車以電能為動力能源,具有零排放、低噪聲和節(jié)能等優(yōu)點,可以減小汽車尾氣對城市空氣污染。 因此,電動汽車的研發(fā)與推廣受到世界各國政府的高度重視[1]。內(nèi)置式永磁同步電機以其結(jié)構(gòu)簡單、 效率高、 弱磁調(diào)速性能優(yōu)良等一系列優(yōu)點,在電動汽車牽引電機行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛[2]。電動汽車驅(qū)動電機的運行工況復(fù)雜多變,對于電動汽車的起動、加速、負荷爬坡等工況考慮,要求電機在低速運行時能夠提供大轉(zhuǎn)矩;對于最高車速和超車工況要求,要求電機在基速以上運行時具有較為寬廣的恒功率運行區(qū)間,也就是要求電機具有良好的弱磁擴速能力。并且要有高過載能力,以及較好的動態(tài)速度和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。要求驅(qū)動電機在整個運行范圍內(nèi)效率最優(yōu),損耗低,減少車載電池電能消耗,提高電動汽車續(xù)航里程,降低對車載電源的蓄電量的要求。
為了滿足低速大扭矩和高速恒功率區(qū)弱磁調(diào)速范圍寬的要求,在設(shè)計電機時,必須從電動汽車對驅(qū)動電機的性能要求出發(fā),結(jié)合永磁同步電機的結(jié)構(gòu)特點,采用場路結(jié)合設(shè)計的方法對電磁負荷、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、繞組型式以及尺寸等做合理的設(shè)計。盡量提高內(nèi)置式永磁同步電機交軸電感Lq參數(shù)值,增大凸極率,充分利用由交、 直軸磁路不對稱產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩提高電機的過載能力和功率密度。合理確定額定轉(zhuǎn)速時的永磁同步電機的空載反電勢數(shù)值以匹配有限的逆變器直流側(cè)電壓所引起的電流調(diào)節(jié)器的飽和特性,擴大高速恒功運行弱磁擴速能力。
本文闡述的一款新能源汽車驅(qū)動用永磁同步電機采用鑄鋁機座和端蓋,冷卻方式為機座水冷。其主要性能參數(shù)表1所示。
表1 主要性能參數(shù)
永磁同步電機根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同分為表面貼裝式永磁同步電機(SPMSM)與內(nèi)置式永磁同步電機(IPMSM)。內(nèi)置式永磁同步電機(IPMSM)又分為“一”字型、“V”字型、“U”字型、多層“U”型。如圖1所示。
圖1永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖
結(jié)合電動汽車用永磁同步電機特點,對永磁體表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對比見表2。
表2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對比
由于該電機設(shè)計要求中電機的弱磁擴速比為3.15,考慮到表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)弱磁擴速能力不強,所以采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu),而不采用表貼式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。對于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),“U”字型,多層“U”型加工制造難度大,而內(nèi)置式“V”字型比內(nèi)置式“一”字型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)有更高的凸極率及更強的聚磁效應(yīng)。為了提高凸極比以增強電機的弱磁擴速能力和高速下轉(zhuǎn)矩輸出能力,本文采用“V”型內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。極對數(shù)的選取主要考慮電機的尺寸和損耗的要求。極對數(shù)多有利于減小電機軛部尺寸,但是與此同時會增加電機工作的電頻率,增大鐵芯損耗和變頻器開關(guān)損耗,增加成本。通過合理選擇分布和短距系數(shù),整數(shù)槽分布式繞組結(jié)構(gòu)可以有效抑制諧波電動勢。該電機最高轉(zhuǎn)速為 3000rpm,由永磁同步電機轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系可知,取極對數(shù)為 6時,其最高頻率為 150Hz,該電機選用的極槽組合為 12 極 72 槽,選用整數(shù)槽分布式繞組,并采用短距繞組和定子鐵心斜槽使反電勢波形更加正弦化,從而減小齒槽轉(zhuǎn)矩、反電勢諧波和轉(zhuǎn)矩波動,提高電機電磁性能。
初步參數(shù)確定后,采用場路結(jié)合的方法對該電機的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)進行計算并優(yōu)化,最終確定的該電機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。
表3 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
本文設(shè)計采用了 ANSYS Maxwell 2D 軟件對電機性能進行有限元分析。它包括電場、靜磁場、渦流場合瞬態(tài)場等分析模塊,可計算力、轉(zhuǎn)矩、電感和損耗等,并且還可以通過強大的計算結(jié)果后處理功能,繪制磁力線和磁場強度的分布,給電機設(shè)計與分析帶來諸多便利。根據(jù)電機主要尺寸在 Maxwell 建立 2D 模型以驗證電磁方案的準確性。由于電機具有對稱結(jié)構(gòu),為了減小計算量和運行時間,只用畫出十二分之一模型,并把邊界條件設(shè)定為奇對稱主從邊界條件。
用ANSYS Maxwell 2D有限元進行電磁場計算的靜態(tài)磁密云圖,如圖 2 所示。其各部位磁密與磁路計算數(shù)值相符??蛰d氣隙磁密波形如圖3所示,并對空載氣隙磁密進行FFT變換,獲得各次諧波賦值圖如圖4所示。
圖2磁密云圖和磁力線分布
圖3空載氣隙磁密波形
圖4空載氣隙磁密諧波分析
為了準確計算考慮交叉耦合、以及飽和作用對電機性能以及電機參數(shù)的影響,對樣機進行了有限元瞬態(tài)電磁場計算。通過瞬態(tài)求解器,以額定轉(zhuǎn)速 950 r /min 驅(qū)動方式,計算出該電機繞組的空載線反電勢有效值約為212.87Vrms,樣機定子三相繞組的空載反電勢波形如圖 5 所示。
圖5空載線反電勢波形
根據(jù)永磁同步電機dq軸數(shù)學(xué)模型,內(nèi)置式永磁同步電機由逆變器供電時,其端電壓方程和電磁轉(zhuǎn)矩表達式如下。
(1)
(2)
式中,Rs—電機定子相電阻;Ld、Lq—電機定子d、q軸電感;φf—永磁磁鏈;Pn—電機極對數(shù);id、iq—永磁同步電機定子電流在d、q軸上的分量;β—定子電樞電流id超前q軸的電角度,為電流控制角。根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA) 控制特性,電流大小一定,改變β角,有一個最佳的β可以使得電機在一定的定子電流下獲得最大輸出轉(zhuǎn)矩。本文對定子輸入電流is和定子電樞電流is超前于q軸的電角度β進行參數(shù)化掃描分析,確定額定轉(zhuǎn)矩時的定子輸入電流is為227.9Arsm和β為27°。對該電機進行帶載驅(qū)動瞬態(tài)電磁場計算,設(shè)定額定負載1005Nm,初始轉(zhuǎn)速950r/min。計算出該電機帶額定負載運行時的負載飽和磁場,由于電機帶額定負載運行時,電樞電流和永磁體共同作用,使得負載時氣隙磁密波形明顯增大,輸入電流為227.9Arsm,β為27°時電機的輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖6所示,輸入電流波形如圖7所示。
圖6 額定轉(zhuǎn)矩波形
圖7 額定轉(zhuǎn)矩輸入電流波形
本文對峰值工況的定子輸入電流is和定子電樞電流is超前于q軸的電角度β進行參數(shù)化掃描分析,確定峰值電流和最佳電流控制角。對該電機進行峰值工況帶載驅(qū)動瞬態(tài)電磁場計算,設(shè)定峰值負載2800Nm,初始轉(zhuǎn)速682r/min。通過負載場計算,得到帶峰值負載時定子繞組的電流波形圖如圖8所示。輸入電流為705Arsm電機的輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖9所示。
圖8 額定轉(zhuǎn)矩波形
對該電機整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)特性計算,恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)域采用最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA)控制,當(dāng)電機端電壓達到逆變器最高輸出電壓ulim后,采用弱磁控制。下面列出額定工況時整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)該電機特性,如表4所示。
表4 額定工況特性
效率MAP圖,又稱等高線圖或云圖,主要是反應(yīng)在不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩下驅(qū)動電機效率的分布情況。通過電機參數(shù)的適當(dāng)調(diào)整可以調(diào)整驅(qū)動電機高效區(qū)在整個轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的分布情況,從而使驅(qū)動電機在整個運行范圍內(nèi)效率最優(yōu),損耗最低,減少車載電池電能消耗,提高電動汽車續(xù)航里程。本文對該電機全轉(zhuǎn)速范圍進行效率計算,計算結(jié)果如圖10所示。由效率MAP可知,該電機在轉(zhuǎn)速600rpm~2400rpm且負載率大于50%的情況下,效率大于93%。此區(qū)域該電機運行的高效運行區(qū)域。
圖10 效率MAP圖
為了驗證樣機設(shè)計與電磁場計算分析的準確性,本文對所研制的100kW電動汽車驅(qū)動用內(nèi)置式永磁同步電機進行了試驗測試,實測空載反電勢有效值為210V,比有限元計算值212.87V稍微偏小。額定轉(zhuǎn)矩時的輸入電流和峰值轉(zhuǎn)矩時的輸入電流也與計算值基本吻合。樣機部分試驗數(shù)據(jù)對比如表5所示。
表5 樣機部分試驗數(shù)據(jù)
本文研究 “V” 型內(nèi)置式永磁同步電機結(jié)構(gòu),結(jié)合電機設(shè)計的性能指標(biāo)要求,通過場路結(jié)合計算方法設(shè)計出一款額定輸出功率為100kW的電動汽車驅(qū)動用永磁同步電機,并完成了樣機加工與試驗測試工作,有限元仿真分析時考慮轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速以內(nèi)為最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA) 控制,轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速以上為弱磁控制進行電機特性仿真。樣機試驗數(shù)據(jù)表明,有限元仿真分析與電機在空載工況、額定帶載工況及過載工況數(shù)據(jù)的實測數(shù)據(jù)基本吻合。
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