陳麗香, 付鳴達(dá), 解志霖, 孫 寧, 徐廣人

(1. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心,遼寧 沈陽(yáng) 110870;2. 沈陽(yáng)藍(lán)光驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179)

0 引 言

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)由于具有高轉(zhuǎn)矩密度、高效率、高功率因數(shù)、優(yōu)良的低速驅(qū)動(dòng)特性和較寬的調(diào)速范圍，已經(jīng)成為了電動(dòng)汽車主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的首選機(jī)型[1]。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體受到極靴的保護(hù)，其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力和功率密度，而且易于“弱磁”擴(kuò)速[2]。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子永磁體擺放形式多種多樣，常見(jiàn)的有一型、V型、U型以及諸多雙層結(jié)構(gòu)，其中豐田Prius 2003驅(qū)動(dòng)電機(jī)永磁體采用一型結(jié)構(gòu)，Prius 2004和Prius 2010驅(qū)動(dòng)電機(jī)永磁體采用了V型結(jié)構(gòu)，豐田公司 2008 Lexus LS600H驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用了雙層V一型永磁體結(jié)構(gòu)[3]。弱磁擴(kuò)速能力是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不同直接影響電機(jī)的永磁磁鏈和交、直軸電感，進(jìn)而影響電機(jī)的性能。

文獻(xiàn)[4]對(duì)5種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PMSM進(jìn)行了比較，“V”字型和永磁體分段的永磁電機(jī)要比傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁電機(jī)有更好的弱磁擴(kuò)速能力，通過(guò)優(yōu)化永磁體的形狀和位置，使得PMSM的性能進(jìn)一步提高，更加適合混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。文獻(xiàn)[5]利用有限元法分別對(duì)一型 、 V型和V一型結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行分析， 通過(guò)比較選擇出適用于電動(dòng)汽車用的電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[6]對(duì)不同的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，分析了一字型結(jié)構(gòu)、V型結(jié)構(gòu)和U型結(jié)構(gòu)電機(jī)的氣隙磁密幅值和諧波含量、齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。文獻(xiàn)[7]使用有限元軟件，對(duì)電機(jī)的效率云圖進(jìn)行了仿真，將仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的有效性，利用該方法仿真電機(jī)的效率云圖。文獻(xiàn)[8]對(duì)20 kW電動(dòng)汽車用永磁電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，分別做出了V型和V一型兩種結(jié)構(gòu)的樣機(jī)，并完成了試驗(yàn)。

本文針對(duì)1臺(tái)104 kW大巴車用永磁電動(dòng)機(jī)，對(duì)V型結(jié)構(gòu)和V一型結(jié)構(gòu)兩種不同結(jié)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行分析，最終選出適合本電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。電機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 電機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)

1 PMSM dq軸數(shù)學(xué)模型

分析正弦波電流控制的調(diào)速PMSM最常用的方法就是dq軸數(shù)學(xué)模型。其不僅可用于分析正弦波PMSM的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能，也可用于分析電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能。為建立正弦波PMSM的dq軸數(shù)學(xué)模型，首先假設(shè)：忽略電動(dòng)機(jī)鐵心飽和；不計(jì)電動(dòng)機(jī)中的渦流和磁滯損耗；電動(dòng)機(jī)的電流為對(duì)稱的三相正弦波電流；由于電動(dòng)機(jī)的相電阻很小，忽略電機(jī)的電阻。

PMSM相量圖如圖1所示。

圖1 PMSM相量圖

電機(jī)在dq軸系統(tǒng)下參數(shù)可表示為

Ud=-ωeψq(1)

Uq=ωeψd(2)

ψd=ψpm+LdId(3)

ψq=LqIq(4)

Id=-Issinγ(5)

Iq=Iscosγ(6)

式中：Ud、Uq——電機(jī)在dq軸坐標(biāo)系電壓；

ψd、ψq——電機(jī)在dq軸坐標(biāo)系磁鏈；

Id、Iq——電機(jī)在dq軸坐標(biāo)系電流；

Lq、Ld——電機(jī)在dq軸坐標(biāo)系電感；

ωe——電角速度;

ψpm——永磁體產(chǎn)生的磁鏈；

Is——定子電流的有效值;

γ——電流控制角。

通常認(rèn)為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩之和，電機(jī)在dq軸數(shù)學(xué)模型下的轉(zhuǎn)矩可表示為

(8)

式中：T——電磁轉(zhuǎn)矩 。

在電機(jī)設(shè)計(jì)中，交直軸電感的計(jì)算十分重要。在dq軸數(shù)學(xué)模型下交直軸電感的計(jì)算方法如下：

(11)

式中：θ——永磁體與A相繞組夾角；

LABC——電機(jī)電感矩陣，可由Ansoft求得。

2 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)性能的影響

選擇V型結(jié)構(gòu)和V一型結(jié)構(gòu)兩種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。對(duì)比不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的性能和特點(diǎn)，不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)橫截面如圖2所示。

圖2 不同結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片

保證不同結(jié)構(gòu)電機(jī)永磁體用量相同，兩種不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的電機(jī)除永磁體結(jié)構(gòu)形式外，其余參數(shù)都相同，如定子外徑、氣隙長(zhǎng)度等。

2. 1 不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的氣隙磁密

不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)的氣隙磁密諧波幅值如圖3所示，具體數(shù)值如表2所示。結(jié)合圖3和表2可以看出，V型結(jié)構(gòu)電機(jī)的氣隙磁密基波幅值要大于V一型結(jié)構(gòu)電機(jī)的氣隙磁密基波幅值，比V一型結(jié)構(gòu)高出18%。兩種結(jié)構(gòu)的5次諧波幅值相差不大，V型結(jié)構(gòu)的3、7、9次諧波幅值都要比V一型結(jié)構(gòu)的高，其中3次諧波最為明顯。

圖3 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)的氣隙磁密波形

諧波次數(shù)13579V型結(jié)構(gòu)/T1．0530．2050．0150．0980．097V一型結(jié)構(gòu)/T0．8920．0170．0160．0610．077

2. 2 不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的交、直軸電感

兩種不同結(jié)構(gòu)電機(jī)的直軸電感隨電流變化曲線如圖4所示。

圖4 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下直軸電感

從圖4中可以看出，兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)的直軸電感幾乎沒(méi)有差別，兩條曲線接近重合。

兩種不同結(jié)構(gòu)電機(jī)的交軸電感隨電流變化曲線如圖5所示?？梢钥闯鯲型結(jié)構(gòu)電機(jī)的交軸電感要低于V一型結(jié)構(gòu)電機(jī)的交軸電感，當(dāng)電流為100 A時(shí)，V型結(jié)構(gòu)電機(jī)的交軸電感為2.18 mH，V一型結(jié)構(gòu)的交軸電感為2.29 mH，V一型結(jié)構(gòu)的交軸電感比V型結(jié)構(gòu)高5%。

圖5 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下交軸電感

2. 3 不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩

圖6 不同結(jié)構(gòu)電機(jī)在不同電流控制角下的轉(zhuǎn)矩

電動(dòng)汽車電機(jī)的運(yùn)行主要分為兩個(gè)階段：恒轉(zhuǎn)矩階段，電機(jī)實(shí)行最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，在該階段需要尋找合適的電流角，使電機(jī)在相同電流下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大；弱磁階段，對(duì)電機(jī)實(shí)行弱磁控制。兩種不同結(jié)構(gòu)電機(jī)在相同電流不同電流控制角下轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖6所示，V型結(jié)構(gòu)在電流角為30°時(shí)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩最大為882 N·m;V一型結(jié)構(gòu)在電流角為36°時(shí)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩為818 N·m，比V型結(jié)構(gòu)的最大轉(zhuǎn)矩低了7.3%。

通過(guò)仿真不同電流下的最大轉(zhuǎn)矩，得到不同結(jié)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-電流曲線如圖7所示。從圖7中可以看出在整個(gè)電流范圍內(nèi)，V型結(jié)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩都要大于V一型結(jié)構(gòu)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，表明在相同永磁體用量下V型結(jié)構(gòu)電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力強(qiáng)于V一型結(jié)構(gòu)電機(jī)。

圖7 不同結(jié)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-電流曲線

兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩如圖8所示，V一型結(jié)構(gòu)電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩的峰值為31.2 N·m；V型結(jié)構(gòu)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的峰值為50.5 N·m，比V一型結(jié)構(gòu)電機(jī)高61.8%。

圖8 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)齒槽轉(zhuǎn)矩

2. 4 不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的鐵耗

不同結(jié)構(gòu)電機(jī)的鐵耗隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖9所示。從圖9中可以看出，在任一轉(zhuǎn)速下，V型結(jié)構(gòu)電機(jī)的鐵耗都大于V一型結(jié)構(gòu)電機(jī)的鐵耗。

圖9 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)鐵耗隨轉(zhuǎn)速變化曲線

3 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)的弱磁擴(kuò)速性能及效率云圖

(12)

式中：Ωmax——電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速；

ulim、ilim——逆變器輸出電壓和電流的極限值；

ψf——電機(jī)的永磁磁鏈。

電機(jī)所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速與逆變器的最大輸出電壓、電流、電機(jī)的直軸電感及永磁磁鏈有關(guān)。不同的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)由于永磁體的擺放形式及其他因素的影響，導(dǎo)致不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電機(jī)的交直軸電感和永磁磁鏈不同，進(jìn)而影響電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力。

3. 1 相同電流下電機(jī)的弱磁擴(kuò)速性能

兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)在相同電流下的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線如圖10所示。從圖10中可以看出，在恒轉(zhuǎn)矩階段V型結(jié)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大于V一型結(jié)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。隨著轉(zhuǎn)速的增加，電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，V一型結(jié)構(gòu)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速要高于V型結(jié)構(gòu)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)折速度大于V型結(jié)構(gòu)，主要原因是V一型結(jié)構(gòu)電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)較低。

圖10 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線

兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)在相同電流下的功率-轉(zhuǎn)速曲線如圖11所示。

圖11 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)鐵耗隨轉(zhuǎn)速變化曲線

3. 2 不同工況下電機(jī)所需電流

(1) 工況1：最高轉(zhuǎn)速。V型結(jié)構(gòu)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)矩下達(dá)到最高轉(zhuǎn)速所需電流為298 A，V一型結(jié)構(gòu)電機(jī)所需電流為290 A，此時(shí)兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線如圖12所示。

圖12 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線

兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)在逆變器允許的電流范圍內(nèi)均能達(dá)到最高轉(zhuǎn)速，符合設(shè)計(jì)要求。

(2) 工況2：峰值轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩為1 590 N·m，V型結(jié)構(gòu)電機(jī)達(dá)到峰值轉(zhuǎn)矩所需電流為364 A，V一型結(jié)構(gòu)電機(jī)達(dá)到峰值轉(zhuǎn)矩所需電流為382 A，比V型結(jié)構(gòu)電機(jī)高5%。

3. 3 不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)的效率云圖

不同結(jié)構(gòu)電機(jī)的效率云圖如圖13所示。

圖13 不同結(jié)構(gòu)電機(jī)的效率云圖

從圖13可以看出，V一型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)效率大于96%的范圍要比V型結(jié)構(gòu)電機(jī)的廣，橫跨的轉(zhuǎn)速區(qū)間較大。

綜上所述，V一型結(jié)構(gòu)電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力較強(qiáng)，恒功率范圍較廣，損耗小、高效率區(qū)間較大，但其輸出轉(zhuǎn)矩的能力較差。大巴車電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩密度要求較高，在相同電流下，V型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較高，有利于提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，經(jīng)過(guò)綜合考慮，最終選擇V型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要分析了V型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和V一型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)性能的影響，主要得出以下結(jié)論:(1) 在相同永磁體用量下，V型結(jié)構(gòu)電機(jī)的氣隙磁密基波幅值比V一型結(jié)構(gòu)電機(jī)高，但氣隙磁密諧波幅值大，電機(jī)的鐵耗較大。(2) V型和V一型兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)的直軸電感差別不大，但V一型結(jié)構(gòu)的交軸電感比V型結(jié)構(gòu)的交軸電感大。(3) V型結(jié)構(gòu)電機(jī)在單位電流下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩較大，有利于提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，但齒槽轉(zhuǎn)矩比V一型結(jié)構(gòu)電機(jī)的大。(4) V一型結(jié)構(gòu)電機(jī)的鐵耗較小，電機(jī)的高效率區(qū)間范圍比V型結(jié)構(gòu)電機(jī)大。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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