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(大連東信微波技術(shù)有限公司，遼寧大連116000)

0 引言

電動汽車對永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動有很嚴(yán)格的限制，轉(zhuǎn)矩脈動的大小直接影響電動汽車行駛的平順性，而采用輪邊直驅(qū)的方式對轉(zhuǎn)矩脈動更是敏感，所以在設(shè)計(jì)永磁電機(jī)的時(shí)候?qū)D(zhuǎn)矩脈動要重點(diǎn)考慮，采取措施削弱以降低到最小。

通過對一輛傳統(tǒng)某汽車SUV車型AX7進(jìn)行改裝，保留加速踏板和制動踏板，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及動力系統(tǒng)進(jìn)行了改裝。動力方面采用兩臺30kW永磁電機(jī)直接進(jìn)行驅(qū)動車輪，兩臺電機(jī)直接在輪邊布置，動力由電機(jī)經(jīng)過減速器直接輸出到車輪，利用轉(zhuǎn)子斜槽和繞組短距的方式來削弱轉(zhuǎn)矩脈動，經(jīng)過優(yōu)化后額定轉(zhuǎn)矩的脈動由開始的13.71%降低到5.3%峰值轉(zhuǎn)矩脈動由18.1%降低到2.59%，驗(yàn)證了所采用的優(yōu)化的方法是可行的。

1 輪邊直驅(qū)永磁電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為輪邊直驅(qū)永磁電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，本文研究的輪邊直驅(qū)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由兩個(gè)永磁電機(jī)和兩個(gè)減速箱一體化設(shè)計(jì)，電機(jī)安裝在簧上，不會增加簧下質(zhì)量，所以對整車的懸掛沒有特殊要求，沿用原來的懸掛系統(tǒng)就可以改裝前輪為驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向輪，而后輪作為從動輪。整車控制器通過接收駕駛員的控制指令，比如加速踏板動作，制動踏板動作，方向盤轉(zhuǎn)向等，每個(gè)指令下達(dá)，控制器會對電機(jī)做出相應(yīng)的控制，轉(zhuǎn)向時(shí)通過計(jì)算兩個(gè)電機(jī)需要的不同的轉(zhuǎn)速，使兩個(gè)車輪形成速度差來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

圖1 輪邊直驅(qū)永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 齒槽轉(zhuǎn)矩的削弱

由于氣隙磁密直接表征了齒槽轉(zhuǎn)矩的強(qiáng)度，當(dāng)氣隙磁密減小的時(shí)候齒槽轉(zhuǎn)矩也會隨之降低，但是氣隙磁密與電機(jī)能輸出的轉(zhuǎn)矩大小息息相關(guān)，所以在選擇永磁體的時(shí)候既要滿足能夠輸出足夠大的轉(zhuǎn)矩也要兼顧抑制齒槽轉(zhuǎn)矩，所以一般選取空載氣隙磁密強(qiáng)度在0.7T～0.75T。仿真得到磁密仿真結(jié)果如圖2所示，對得到的氣隙磁密進(jìn)行傅里葉分解得到了各次諧波的幅值，仿真得到氣隙磁密傅里葉分解如圖3所示。可見各次諧波的含量得到了很好的抑制。諧波的抑制直接體現(xiàn)在電機(jī)的噪聲和振動上，諧波對轉(zhuǎn)矩沒有幫助，相反的帶來的是損耗的變大，和明顯的振動噪聲。所以諧波要在源頭上給予抑制。

圖3 氣隙磁密傅里葉分析

從加工角度看，加工位置精度的把握和尺寸精度的把握也會對齒槽轉(zhuǎn)矩有很大的影響。電磁設(shè)計(jì)部分一般采用斜極或者斜槽的方式來實(shí)現(xiàn)對諧波的抑制，斜槽是指徑向磁場電機(jī)中的定子或者永磁體沿軸向錯(cuò)開一定的角度，一般是將定子或者永磁體斜過半個(gè)或者一個(gè)槽距，這個(gè)槽距跨過諧波周期。采用這種方法理論上可以完全消除各種諧波轉(zhuǎn)矩也可以抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的大小，但是加工誤差是不可避免的存在，也會極大地提升了加工難度，對工藝的要求也會隨之上升。所以采用斜槽的方法不能將諧波成分完全去除。斜槽后會增加導(dǎo)體的占槽面積會增大電機(jī)的銅耗，而且采用斜槽以后會削弱電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和效率。由于采用定子斜槽不利于自動化下線，在量級比較小的電機(jī)制作中才會采用斜槽的方法。

另一種方法是采用斜極，斜極相對于斜槽而說加工難度及工藝難度更大，成本更高，斜極是指將軸向方向上的多段永磁體錯(cuò)開一定的角度，和斜槽一樣都是跨過諧波周期和齒槽轉(zhuǎn)矩的周期來削弱諧波成分的。斜極工藝適合量級很大的電機(jī)的生產(chǎn)加工，利于自動化下線。出于量產(chǎn)的角度考慮，電機(jī)采用斜極方式。當(dāng)令齒槽轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為零的時(shí)候可以求得削弱齒槽轉(zhuǎn)矩所需要的角度，讓所斜的角度跨過所有的齒槽轉(zhuǎn)矩的周期可得

當(dāng)定子斜過這個(gè)角度的時(shí)候，齒槽轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為

=0

圖4是經(jīng)過場算分別得到斜極和未斜極兩種狀態(tài)下對齒槽轉(zhuǎn)矩仿真的結(jié)果，可以看到電機(jī)未斜極時(shí)的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值達(dá)到了0.48 N·m而且諧波成分也比較多，當(dāng)經(jīng)過斜極后再次進(jìn)行齒槽轉(zhuǎn)矩的仿真得到齒槽轉(zhuǎn)矩的峰值為0.13N·m可以看到諧波成分也減小了很多。

圖4 斜極前后的齒槽轉(zhuǎn)矩對比

3 額定轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)矩脈動的削弱

空載反電動勢是表征電機(jī)性能的關(guān)鍵參數(shù)，空載反電動勢在理想狀態(tài)下應(yīng)該是正弦波，但是由于定子開槽、永磁體產(chǎn)生的磁路分布和繞組的設(shè)計(jì)存在不可抗拒的因素會有諧波成分產(chǎn)生，這些諧波成分對電磁噪音和轉(zhuǎn)矩的脈動有很大影響，所以在電磁設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮這些因素對諧波的影響，采取措施將諧波成分降低到最低，諧波的抑制除了需要對工藝提出較高的要求之外。也需要在電磁設(shè)計(jì)時(shí)加以重點(diǎn)考慮。

下面通過對所設(shè)計(jì)的永磁電機(jī)采用斜極和未斜極的方案進(jìn)行場算得到空載線反電勢進(jìn)行對比，比較兩種情況下的諧波含量。通過仿真得到結(jié)果如圖5所示，根據(jù)圖5可以看出當(dāng)設(shè)計(jì)的電機(jī)未斜極的時(shí)候，反電勢波形毛刺比較多，說明各次諧波含量比較大，波形震蕩比較明顯，此時(shí)對應(yīng)的空載反電動勢峰值為623.38V，圖中曲線的實(shí)線是斜極后的空載線反電動勢的波形，可以看到斜極后削弱了一部分的反電動勢，斜極后的空載反電動勢的峰值為516.59V，根據(jù)圖5可以明顯看出經(jīng)過斜極后的空載反電動勢波形變的平順了許多。

圖5 斜極前和斜極后空載線反電勢對比

經(jīng)過對內(nèi)功角進(jìn)行掃描后得到在額定電流為51A、內(nèi)功角為20的時(shí)候出現(xiàn)最大的額定轉(zhuǎn)矩，可以看到當(dāng)沒有斜極處理的時(shí)候額定轉(zhuǎn)矩的大小為63.79N·m，對應(yīng)的峰值為12.86N·m轉(zhuǎn)矩脈動達(dá)到了13.71%，此時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動很明顯，對電機(jī)的振動噪聲有很大的影響，當(dāng)采用斜極以后雖然削弱了一部分額定轉(zhuǎn)矩，斜極后的額定轉(zhuǎn)矩為62.64N·m對應(yīng)的峰值為3.36N·m，轉(zhuǎn)矩脈動為5.3%，經(jīng)過場算仿真對內(nèi)功角進(jìn)行掃面后得到在電流為132A，內(nèi)功角為31.5的時(shí)候出現(xiàn)最大的峰值轉(zhuǎn)矩可得到未斜極的時(shí)候的峰值轉(zhuǎn)矩為166.25N·m，峰值為30.19N·m，轉(zhuǎn)矩脈動為18.1%，斜極之后對轉(zhuǎn)矩有一定的削弱，斜極后的峰值轉(zhuǎn)矩大小為163.53N·m，峰值為4.24N·m。轉(zhuǎn)矩脈動為2.59%，經(jīng)過斜極后雖然削弱了一部分的轉(zhuǎn)矩輸出，電動汽車使用的驅(qū)動電機(jī)，轉(zhuǎn)矩脈動的抑制是必要的，轉(zhuǎn)矩脈動抑制以后會對整個(gè)電機(jī)的NVH有很大的改善，可見斜極之后對轉(zhuǎn)矩脈動的抑制作用很明顯。圖6和圖7分別是為斜級前和斜級后的額定轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)矩。

圖6 斜極前和斜極后額定轉(zhuǎn)矩

圖7 斜極前和斜極后峰值轉(zhuǎn)矩

4 結(jié)語

永磁電機(jī)是現(xiàn)階段最適合電動汽車使用的動力源，相對于傳統(tǒng)電機(jī)，永磁電機(jī)功率密度更大，是現(xiàn)階段電動汽車的主導(dǎo)發(fā)展方向。而輪邊直驅(qū)能將動力源的損失降低到極致，本文通過斜級和繞組短距的方法將轉(zhuǎn)矩脈動降低到很低水平，利用有限元仿真驗(yàn)證了所采用的方法是可行的。