趙 玫,陳江岸,張云亮,劉亞帥

(1. 威海廣泰空港設備股份有限公司,威海 264200; 2.魯東大學,煙臺 264025)

0 引 言

在新舊能源加速轉(zhuǎn)換的當下，汽車動力從內(nèi)燃機轉(zhuǎn)變?yōu)榧惺降碾婒?qū)動，未來將逐步發(fā)展為輪轂電機驅(qū)動。輪轂電機技術(shù)將車輪與電機整合到一起，省去差速器和傳動軸等傳統(tǒng)汽車的傳動裝置，真正實現(xiàn)能源的高效利用與車輛成本的有效較少。

文獻[1]設計出外轉(zhuǎn)子容錯永磁同步輪轂電機，將每個輪轂電機設計為多個子電機配合工作，同時設計出異型混合電機，滿足整個運行工況高效率運行。文獻[2]對永磁開關(guān)磁鏈電機的轉(zhuǎn)子進行斜極處理，分析不對稱徑向力、齒槽轉(zhuǎn)矩和反電動勢在轉(zhuǎn)子斜極后的變化情況，找到最佳斜極角度。文獻[3]針對雙凸極電機轉(zhuǎn)矩脈動較大的問題，對8極12槽外轉(zhuǎn)子雙凸極電機的轉(zhuǎn)子進行斜槽處理，通過有限元分析斜槽對轉(zhuǎn)矩與反電動勢的影響，最終達到優(yōu)化電機性能的目的。文獻[4]設計了一種12/8極電勵磁雙凸極輪轂電機，在氣隙磁密、磁鏈、反電動勢等方面進行有限元仿真，得出其空載特性。文獻[5]為了研究不同繞組形式對電機性能的影響，設計了分數(shù)槽繞組電機與整距繞組電機，通過有限元計算出不同結(jié)構(gòu)對電機磁密和反電動勢以及齒槽轉(zhuǎn)矩等方面的影響，得出在極對數(shù)合適的前提下，分數(shù)槽繞組的電機結(jié)構(gòu)能有效減小電機轉(zhuǎn)矩脈動，優(yōu)化電機性能。上述研究表明，設計出供車輛使用的高性能輪轂電機，是目前電機領(lǐng)域的熱點。為提高電機性能，需要在電磁設計方面考慮有較小的齒槽轉(zhuǎn)矩以及較接近正弦波的反電動勢。

本文針對機場擺渡車，設計一臺額定功率60 kW，額定轉(zhuǎn)矩2 500 N·m的外轉(zhuǎn)子表貼式永磁輪轂電機，較好地滿足機場擺渡車運行速度低、運行穩(wěn)定性高的特點。首先給出電機的基本參數(shù)尺寸，其次利用有限元軟件計算了電機的空載特性和負載特性，最后分析永磁體斜極對電機齒槽轉(zhuǎn)矩、反電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的影響，綜合得出電機最優(yōu)尺寸。

1 永磁輪轂電機主要尺寸

機場擺渡車用輪轂電機需要在高溫下運行，通常定子繞組溫度能達到200 ℃，轉(zhuǎn)子外殼溫度可達160 ℃。同時電機在轉(zhuǎn)速較低情況下要提供較大轉(zhuǎn)矩，并且要有較強過載能力，因此電機選擇直接將轉(zhuǎn)子安裝在車圈上的外轉(zhuǎn)子表貼式結(jié)構(gòu)[6]。綜合考慮電機在機場擺渡車車輪中的應用，基本電機尺寸如表1所示。

2 永磁輪轂電機有限元計算

2.1 空載特性分析

圖1為空載時磁密云圖，時間為一個電周期。電機整體結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)嚴重飽和部分，只有定子齒尖有一定的飽和現(xiàn)象，齒尖少數(shù)部分的飽和對電機性能影響較小。圖2為氣隙的徑向磁密波形。磁密波形近似于方波，磁密最大達到0.81 T。在模型中，以圓心到定子齒長和定子軛厚度的一半為半徑分別建立路徑，得到定子齒部與定子軛部的磁密，如圖3和圖4所示。從圖3、圖4中可以看出，定子齒部磁密最大值達到1.32 T，定子軛部磁密最大值為0.96 T，基本滿足設計要求。

圖1 空載特性下的磁密云圖

圖2 氣隙磁密波形

圖3 定子齒部磁密圖

圖4 定子軛部磁密圖

圖5給出了空載條件下的三相繞組線電動勢波形，線電動勢幅值在280 V左右。圖6給出了齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖，從圖6中可以看出，一個電周期的波動次數(shù)為66次，波動幅值為0.45 N·m，波動幅值較小。

圖5 空載線電動勢波形

圖6 齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖

2.2 負載特性分析

定子繞組通入180 A電流時，電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖7所示。電磁轉(zhuǎn)矩波動幅值為76 N·m，波動幅度較大，同時平均轉(zhuǎn)矩達到額定轉(zhuǎn)矩2 500 N·m， 電機各部分除齒尖外沒有出現(xiàn)飽和。圖8給出此時的線電動勢波形，可得線電動勢幅值達到335 V。

圖7 額定轉(zhuǎn)矩波形

圖8 三相感應電動勢波形

當定子繞組通入425 A電流，得到此時電磁轉(zhuǎn)矩波形，如圖9所示，此時達到最大輸出轉(zhuǎn)矩5 250 N·m，波動幅值達到170 N·m，波動幅值較大。圖10為通入425 A電流的線電動勢波形，幅值接近410 V，沒有超過最大電壓。圖11為電磁轉(zhuǎn)矩平均值隨電流變化曲線。從圖11中可以看出，隨著電流的增大，電磁轉(zhuǎn)矩近似呈線性增長。

圖9 最大輸出轉(zhuǎn)矩波形

圖10 三相感應電勢波形

圖11 電磁轉(zhuǎn)矩平均值隨電流變化曲線

3 永磁輪轂電機性能的優(yōu)化

機場擺渡車屬于地面服務特種車輛，每次承載乘客較多，為了使乘客有舒適的乘車體驗并感受到優(yōu)質(zhì)的服務水平，對車輛運行的穩(wěn)定性要求較高[7]。由于齒槽轉(zhuǎn)矩是造成電機波動的主要因素，因此提高擺渡車性能，需要對齒槽轉(zhuǎn)矩進行抑制?？蛰d反電動勢同樣影響永磁同步電動機的性能。通常永磁電動機的反電動勢含有高次諧波，導致波形偏離正弦波，降低控制精度，增加損耗和轉(zhuǎn)矩脈動，造成電機效率下降。因此，削弱電機反電動勢中的諧波對提高電機的性能具有重要的意義。

3.1 斜極對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

在引入斜極之后，電機靜態(tài)特性發(fā)生變化，電機軸向的不同截面的磁場分布是不同的，數(shù)值計算模型原則上采用三維模型。但三維電磁場分析時間較長，占用計算資源較大，因此仍傾向使用二維數(shù)值模型，通過分段計算法進行分析[2-3]。

其思路是沿電機軸向平均分成若干段，并把每段假設為一個電機，取其二維截面，從而將每段都作為二維模型處理，每一段的電磁場垂直于電機軸向，矢量磁位只有軸向分量。永磁體的斜極模型如圖12所示。

圖12 永磁體斜極模型

圖13為不同永磁體傾斜角度下的齒槽轉(zhuǎn)矩波形，圖14為齒槽轉(zhuǎn)矩波動幅值隨永磁體傾斜角度的變化曲線。從圖14中可以看出，當傾斜角度α為4°時，齒槽轉(zhuǎn)矩波動幅值較?。划攦A斜角度α為3°時，齒槽轉(zhuǎn)矩波動幅值較大，達到0.902 N·m。最大波動幅值與最小波動幅值相差0.453 N·m?？梢?，永磁體斜極對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響較小。

圖13 不同永磁體傾斜角度下齒槽轉(zhuǎn)矩波形

圖14 波動幅值隨永磁體傾斜角度的變化曲線

3.2 斜極對反電動勢的影響

為了更清晰地分析斜極對電機反電動勢的影響，本文定義空載反電動勢非正弦度系數(shù)αE，其在數(shù)值上等于反電動勢各諧波幅值的絕對值之和與基波幅值之比。

(1)

電機轉(zhuǎn)矩波動中主要是6次諧波，為了減小波動轉(zhuǎn)矩對電機性能的影響，這里首先定義波動轉(zhuǎn)矩系數(shù)αT6:

αT6=

需要說明的是，上述公式推導忽略了電樞反應對波動轉(zhuǎn)矩的影響，即不考慮定子磁鏈所產(chǎn)生的波動轉(zhuǎn)矩以及忽略磁場飽和對波動轉(zhuǎn)矩的影響。轉(zhuǎn)矩波動主要是由反電動勢和電流的各次諧波相互作用產(chǎn)生的，而本文接下來只對由反電動勢5次和7次諧波所引起的轉(zhuǎn)矩波動展開研究，關(guān)于由電流諧波造成的轉(zhuǎn)矩波動和高于6次諧波引起的轉(zhuǎn)矩波動不予考慮。

因此，反電動勢非正弦度系數(shù)式(1)和波動轉(zhuǎn)矩系數(shù)式(2)可以簡化:

(3)

反電動勢隨傾斜角度變化結(jié)果如圖15所示?？梢钥闯?，不同傾斜角度時，反電動勢的幅值和相位都發(fā)生了明顯變化。

圖15 不同永磁體傾斜角度下反電動勢波形

通過對反電動勢傅里葉分解，得到反電動勢各次諧波隨永磁體傾斜角度的變化情況，如圖16所示。表2分別給出了在不同永磁體傾斜角度下反電動勢基波幅值、波動轉(zhuǎn)矩系數(shù)和非正弦度系數(shù)的對比結(jié)果?？芍措妱觿莼S永磁體傾斜角度的增加逐漸減?。划攦A斜角度為4°時波動轉(zhuǎn)矩系數(shù)最小，與最大值相差較大；隨著傾斜角度的增加，非正弦度系數(shù)呈逐漸下降的趨勢。

圖16 反電動勢各次諧波隨永磁體傾斜角度的變化情況

傾斜角度α/(°)03°4°5°6°基波E1/V161.676 8153.486 7150.271 9146.364 9141.686 8波動轉(zhuǎn)矩系數(shù)αT0.008 3980.001 2650.000 1180.000 5030.000 217非正弦度系數(shù)αE0.056 1440.049 5270.049 3950.048 6160.045 855

3.3 斜極對電磁轉(zhuǎn)矩的影響

當電機通入300 A電流時，得到不同永磁體傾斜角度下電磁轉(zhuǎn)矩在一個電周期內(nèi)的波形圖，如圖17所示。從圖17中可以看出，隨永磁體傾斜角度的增大，電磁轉(zhuǎn)矩幅值明顯下降。圖18為電磁轉(zhuǎn)矩波動幅值隨傾斜角度的變化曲線?？梢钥闯?，斜極對電磁轉(zhuǎn)矩的波動具有明顯的抑制效果，但當傾斜角度大于5°時，斜極對轉(zhuǎn)矩波動的抑制效果明顯減弱；同時，隨著傾斜角度的增大，電磁轉(zhuǎn)矩幅值下降較快。因此，對電機進行斜極設置時，傾斜角度不能太大。為此，本文最終選取永磁體傾斜角度為4°，既保證電磁轉(zhuǎn)矩足夠大，又保證轉(zhuǎn)矩波動幅值較小。

圖17 不同永磁體傾斜角度下電磁轉(zhuǎn)矩波形

圖18 電磁轉(zhuǎn)矩波動幅值隨傾斜角度的變化曲線

4 結(jié) 語

本文根據(jù)機場擺渡車的應用特點，設計出30極99槽永磁同步輪轂電機，主要完成了以下4方面工作。

(1) 為了使永磁同步輪轂電機滿足機場擺渡車的性能要求，通過有限元軟件對設計的電機進行了空載特性與負載特性分析。

(2) 通過有限元軟件計算了轉(zhuǎn)子斜極對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，得出當永磁體傾斜角度為4°時齒槽轉(zhuǎn)矩幅值最小。

(3) 通過有限元軟件計算了轉(zhuǎn)子斜極對反電動勢的影響，得出反電動勢基波幅值隨著傾斜角度的增加而下降。波動轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨著永磁體傾斜角度的增加逐漸減小，當傾斜角度為6°時，非正弦度系數(shù)最小。

(4) 通過有限元軟件計算了轉(zhuǎn)子斜極對電磁轉(zhuǎn)矩的影響，最終本文選取永磁體斜極4°作為所設計的永磁輪轂電機轉(zhuǎn)子斜極的最佳角度。