于仲安，張峻銘，梁建偉

(江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000)

0 引 言

隨著先進(jìn)的電力電子和現(xiàn)代控制，交流電機(jī)已經(jīng)取代直流電機(jī)并主導(dǎo)了驅(qū)動電機(jī)市場，異步和同步交流電機(jī)都開始在商用電動汽車中使用[1-2]。感應(yīng)電機(jī)發(fā)展了幾十年，不僅具有最成熟的技術(shù)和成熟的制造技術(shù)[3]，還提供了相對較低的成本和易于控制。但與永磁同步電機(jī)相比，其銅耗較高，運(yùn)行效率低下。另一方面，由于稀土永磁材料的發(fā)展，采用稀土永磁材料的永磁同步電機(jī)擁有更高的氣隙磁密，進(jìn)一步提高了永磁同步電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度。因此，越來越多的汽車廠商選擇永磁同步電機(jī)作為電動汽車的驅(qū)動電機(jī)[4]。

雖然三相PMSM被廣泛應(yīng)用，但是三相電機(jī)作為電動汽車的驅(qū)動電機(jī)時(shí)只要有一相發(fā)生故障整個(gè)電機(jī)就無法繼續(xù)運(yùn)行，這對電動汽車上的人員來說是及其危險(xiǎn)的，因此多相容錯(cuò)型永磁同步電機(jī)在電動汽車領(lǐng)域有著不錯(cuò)的前景。

多相容錯(cuò)永磁同步電機(jī)是Barrie C. Mecrow 1996年提出的[5]，這種電機(jī)相數(shù)大于3(如4、5、6、7、9等)，相比于三相永磁同步電機(jī)擁有更多的余度，在電機(jī)某一相或某幾相發(fā)生故障時(shí)依舊可以運(yùn)行[6]。近年來不少研究人員都對多相PMSM進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一臺五相20槽18極容錯(cuò)電機(jī)，用轉(zhuǎn)子偏心及Halbach永磁陣列轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化了電機(jī)效率。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種繞線匝數(shù)不等的20槽22極表貼式五相容錯(cuò)PMSM，該電機(jī)的繞線方式有效消除了低階諧波，并基于保持恒定瞬時(shí)功率的原理，提出了兩相開路系統(tǒng)的容錯(cuò)控制策略。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一臺12槽2極的六相PMSM，該電機(jī)采用整數(shù)槽分布繞組，轉(zhuǎn)速可達(dá)50000 r/min。劉國海等人[10]對比了五種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的五相容錯(cuò)永磁同步電機(jī)的氣隙磁密、轉(zhuǎn)矩、齒槽轉(zhuǎn)矩和電感等參數(shù)。但是，文獻(xiàn)[7]重點(diǎn)優(yōu)化氣隙磁動勢波形沒有對轉(zhuǎn)矩輸出性能和故障狀態(tài)進(jìn)行分析，文獻(xiàn)[8]重點(diǎn)研究定子結(jié)構(gòu)對性能的影響沒有分析轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對電機(jī)的影響，文獻(xiàn)[9]所設(shè)計(jì)的電機(jī)采用傳統(tǒng)三相電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電機(jī)沒有容錯(cuò)能力，文獻(xiàn)[10]中沒有對不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)損耗、溫度等進(jìn)行對比也沒有對比電機(jī)故障狀態(tài)下的性能。

本文以20槽18極的單層分?jǐn)?shù)槽集中繞組(FSCW)五相永磁同步電機(jī)為對象，在定子結(jié)構(gòu)及各相尺寸不變的前提下對表貼式和V型內(nèi)嵌式電機(jī)的性能進(jìn)行對比。在設(shè)計(jì)這兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)時(shí)，采用相同永磁體用量并以轉(zhuǎn)矩波動為優(yōu)化指標(biāo)，對兩種電機(jī)額定轉(zhuǎn)臺運(yùn)行時(shí)的反電動勢、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動、損耗、溫度以及噪聲進(jìn)行了對比，而后對一相及兩相故障時(shí)，兩種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩衰減情況和波動程度進(jìn)行了對比。

1 電機(jī)參數(shù)

圖1是本文所設(shè)計(jì)并進(jìn)行性能對比的兩種電機(jī)，紅色繞組是A相，黃色繞組是B相，藍(lán)色繞組是C相，橙色繞組是D相，紫色繞組是E相，每相相隔2π/5電角度。電機(jī)采用了20槽/18極的極槽配合方式，定子繞組采用的是單層分?jǐn)?shù)槽集中繞組的繞線方式，且各相無中性點(diǎn)，采用各相單獨(dú)供電的方式。多相永磁同步電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)要盡量保證各相的物理場獨(dú)立，即相間要保證電隔離、磁隔離、熱隔離等[5]，以最大程度的降低故障相對正常相的影響。正因如此，本文中的電機(jī)定子部分采用單層分?jǐn)?shù)槽集中繞組。這種繞線方式的節(jié)距是1并且隔齒繞制，能夠降低繞組的端部長度，減小電樞繞組的端部損耗，降低電樞繞組之間的互感，并在一定的程度上減少電機(jī)的用銅量，降低了由于電樞繞組端部接觸造成的相間短路故障的可能性，同時(shí)形成了相間的熱隔離[11]。另外，各相單獨(dú)供電也保證了在逆變器端發(fā)生故障時(shí)可以及時(shí)切除故障相的逆變器不會對正常相的供電造成影響。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

本文在確定定子結(jié)構(gòu)與各項(xiàng)尺寸后，對兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使得電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動達(dá)到最優(yōu)。表1為電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，表2為影響轉(zhuǎn)矩輸出能力的設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 電機(jī)參數(shù)

表2 轉(zhuǎn)子優(yōu)化項(xiàng)

表貼式轉(zhuǎn)子主要是極弧系數(shù)和永磁體用量對氣隙磁場產(chǎn)生影響進(jìn)而影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力。而對于V型轉(zhuǎn)子來說，影響轉(zhuǎn)矩輸出能力的因素就相對較多。永磁體用量對轉(zhuǎn)矩影響最為明顯，其次在永磁體用量不變的情況下，永磁體長寬比和極弧系數(shù)對轉(zhuǎn)矩距輸出能力也有影響，總體來說永磁體投射到轉(zhuǎn)子表面的面積越大平均轉(zhuǎn)矩越大[12]。另外，永磁體距離轉(zhuǎn)子表面的距離越近，轉(zhuǎn)矩越大但是轉(zhuǎn)矩波動也越大。兩塊磁體間的磁體間距離越小轉(zhuǎn)矩越大，波動越小。

除了上述的參數(shù)之外，永磁體之間的角度、磁橋的尺寸和距離同樣對轉(zhuǎn)矩有所影響，在設(shè)計(jì)時(shí)需要要在平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動之間有所平衡，以達(dá)到相對較好的轉(zhuǎn)矩輸出能力。

2 正常運(yùn)行狀態(tài)下對比

2.1 電磁性能

兩種電機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩如圖2所示，表貼式電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩136Nm，V型轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)矩118Nm，根據(jù)式(1)可以得出兩臺電機(jī)的輸出功率分別為6.1kW和5.7kW這是由于內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的漏磁高于表貼式導(dǎo)致氣隙磁密較低，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩比表貼式小一些。

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(1)

圖2 平均轉(zhuǎn)矩

同時(shí)，轉(zhuǎn)矩波動是衡量電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，定義最大轉(zhuǎn)矩和最小轉(zhuǎn)矩之差與平轉(zhuǎn)矩的比值為轉(zhuǎn)矩波動，用百分?jǐn)?shù)表示。通過計(jì)算得出表貼式電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動2.5%，V型轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動7.5%，由于這兩種電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)、電氣參數(shù)都是一樣，所以轉(zhuǎn)矩波動的不同主要是由轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)引起的。

轉(zhuǎn)矩波動主要是由磁場中的諧波和齒槽轉(zhuǎn)矩造成的[13]，圖3為兩種電機(jī)的反電動勢(EMF)波形，可以看出表貼式轉(zhuǎn)子電機(jī)的EMF波形正弦度比內(nèi)嵌V型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)好。THD常用來表示波形中的諧波含量。THD是功率比例關(guān)系，用各次諧波功率值和與基波功率之比的百分比表示，而再此對比的是反電動勢中的諧波含量，可以簡化為諧波電壓的平方和的1/2次方與基波電壓的比值，其計(jì)算公式如下，

(2)

圖3 感應(yīng)電動勢

圖4為EMF的諧波含量示意圖，經(jīng)過計(jì)算，表貼式和V型轉(zhuǎn)子的總THD分別是10.3%和15.2%。兩種轉(zhuǎn)子的諧波都集中在是三、五次諧波，是引起諧波轉(zhuǎn)矩波動的主要因素。另外，V型轉(zhuǎn)子的更高次諧波的含量要高于表貼式轉(zhuǎn)子。表貼式齒槽轉(zhuǎn)矩峰值為0.85Nm，V型轉(zhuǎn)子齒槽轉(zhuǎn)矩是1.76Nm，要大于表貼式轉(zhuǎn)子，這兩種因素最終導(dǎo)致其轉(zhuǎn)矩波動要大于表貼式。在圖中還可以看到電機(jī)感應(yīng)電動勢中有偶次諧波，這是本文電機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組的結(jié)果。

圖4 諧波含量

2.2 損耗與溫升

圖5為兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行時(shí)的損耗。由于表貼式轉(zhuǎn)子的永磁體直接暴露在氣隙磁場的諧波中，表貼式轉(zhuǎn)子的永磁體渦流損耗遠(yuǎn)大于內(nèi)嵌V型的渦流損耗。

圖5 電機(jī)正常運(yùn)行損耗

在電機(jī)穩(wěn)定后，表貼式與V型電機(jī)的總損耗分別是300W和250W。其中，內(nèi)嵌V型轉(zhuǎn)子電機(jī)的鐵心損耗為65W高于表貼式轉(zhuǎn)子的51W，這是因?yàn)閂型轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子磁場的高次諧波在定子中引起的渦流損耗及磁滯損耗大于表貼式轉(zhuǎn)子。

圖6、圖7為兩種電機(jī)永磁體、繞組與定子鐵心的溫度分布圖。

圖6 表貼式電機(jī)溫度示意圖

電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)由于表貼式電機(jī)整體損耗高于V型電機(jī)，因此其各個(gè)部位溫度都要稍高與V型電機(jī)。仿真時(shí)設(shè)置環(huán)境溫度為22℃，表貼式電機(jī)永磁體溫度為48℃；繞組端部溫度123℃，槽內(nèi)導(dǎo)體中心部分107℃；定子鐵心繞齒處最高溫度64℃。V型電機(jī)永磁體平均溫度40℃；繞組端部溫度112℃，槽內(nèi)導(dǎo)體中心部分102℃；定子鐵心繞齒處最高溫度58℃。

2.3 噪聲對比

現(xiàn)代永磁同步電動機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要對電磁性能進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)也要考慮電機(jī)的振動噪聲，噪聲的危害程度主要取決于噪聲的頻率、強(qiáng)度及暴露時(shí)間，在駕駛過程中人們會暴露在噪聲中時(shí)間較長，若電機(jī)噪聲過大會對人體產(chǎn)生不利影響。在電機(jī)運(yùn)行過程中電機(jī)定子鐵芯的內(nèi)表面會受到電磁力的作用，磁場諧波產(chǎn)生的力會作用在定子齒和磁極上，作用在電機(jī)定子齒上的低階次幅值較大的徑向力波是產(chǎn)生電機(jī)振動噪聲的主要根源，電機(jī)徑向電磁力公式可表示為[14]

(3)

式中,Fr(θ,t)為電機(jī)所受的徑向電磁力，b2(θ,t)為氣隙磁密各次諧波的平方和，μ0為真空磁導(dǎo)率。根據(jù)EMF的諧波分析來看，V型轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的氣隙磁密中的諧波含量要高于表貼式轉(zhuǎn)子，進(jìn)而產(chǎn)生幅值更高的電磁力，但是由于表貼式轉(zhuǎn)子的氣隙磁密基波幅值更高，理論上本文中的表貼式轉(zhuǎn)子電機(jī)電磁噪聲會大于V型轉(zhuǎn)子電機(jī)。

圖8和圖9為兩種電機(jī)通過有限元分析后的噪聲云圖。這兩張?jiān)肼曉茍D是以電機(jī)為中心直徑2500mm圓形區(qū)域內(nèi)的噪聲分布情況。表貼式電機(jī)的噪聲最小61.747dB最大95.477dB，而V型電機(jī)的噪聲最小50.09dB最大82.159dB。

圖8 表貼式電機(jī)噪聲云圖

圖9 V型電機(jī)噪聲云圖

通過上述對比，在正常運(yùn)行狀態(tài)，表貼式電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出更高，轉(zhuǎn)矩波動更小，轉(zhuǎn)矩輸出能力比V型轉(zhuǎn)子電機(jī)好，從電機(jī)電磁噪聲方面來看，V型轉(zhuǎn)子電機(jī)噪聲更小。另外，由于表貼式轉(zhuǎn)子的磁鋼直接粘在轉(zhuǎn)子表面，不需要隔磁橋，制造成本更低，但也因此帶來了較高的永磁體渦流損耗及總損耗，從溫度示意圖來看，其永磁體溫度稍高于V型電機(jī)?？傮w來講，兩種電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)都很高的效率，和較低的轉(zhuǎn)矩波動，但是在用磁量相等時(shí)，表貼式電機(jī)平均輸出轉(zhuǎn)矩更高，成本更低，因此在正常運(yùn)行狀態(tài)下表貼式轉(zhuǎn)子和V型轉(zhuǎn)子電機(jī)都有各自的優(yōu)點(diǎn)，下面本文將對電機(jī)的故障狀態(tài)進(jìn)行對比。

3 故障狀態(tài)對比

多相PMSM容錯(cuò)性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)是各相電感的大小和互感所占的比例,互感比例越小，各相間的電磁隔離效果越好。電機(jī)自感是漏感和通過氣隙的主電感組成的，在設(shè)計(jì)電機(jī)可以對定子槽口寬度進(jìn)行優(yōu)化，通過提高槽漏量來提高電機(jī)的槽漏抗。本文電機(jī)槽口寬度為5mm，兩種電機(jī)的電感參數(shù)及短路電流如表3所示。

表3 電感參數(shù)

兩種電機(jī)的短路電流幅值及互感比例均滿足容錯(cuò)電機(jī)要求，但是由于內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子相比表貼式轉(zhuǎn)子有著更多的漏磁，導(dǎo)致V型電機(jī)的自感大于表貼式電機(jī)。另一個(gè)重要的指標(biāo)就是電機(jī)故障狀態(tài)的輸出轉(zhuǎn)矩，如果電機(jī)在故障狀態(tài)下?lián)碛休^高的平均轉(zhuǎn)矩，那么在采用相應(yīng)的容錯(cuò)算法后也有更好的轉(zhuǎn)矩輸出能力。圖10為兩種電機(jī)在額定功率、額定轉(zhuǎn)速時(shí)在四種故障下的轉(zhuǎn)矩波形。

圖10 兩種電機(jī)故障轉(zhuǎn)矩波形

從表貼式電機(jī)在一相開路時(shí)平均轉(zhuǎn)矩110Nm，相比正常時(shí)下降19%，轉(zhuǎn)矩波動51.6%；V型轉(zhuǎn)子電機(jī)在一相開路時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩95Nm，相比正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩下降19.5%，轉(zhuǎn)矩波動56%。一相短路時(shí)表貼式的平均轉(zhuǎn)矩118Nm，轉(zhuǎn)矩下降13.2%，轉(zhuǎn)矩波動76.5%；V型轉(zhuǎn)子平均轉(zhuǎn)矩94Nm，下降20.3%，轉(zhuǎn)矩波動66.3%。

相鄰兩相開路時(shí)，表貼式電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩84Nm，下降38.2%，轉(zhuǎn)矩波動40.5%；V型電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩67Nm，下降43.2%，轉(zhuǎn)矩波動46.4%。最后，相隔兩相開路時(shí)，表貼式電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩78Nm，下降42.6%，轉(zhuǎn)矩波動82%；V型電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩65Nm，下降45%，轉(zhuǎn)矩波動88%。在電機(jī)處于一相開路及兩相開路狀態(tài)時(shí)與正常運(yùn)行時(shí)一致，表貼式電機(jī)因?yàn)辇X槽轉(zhuǎn)矩較小，無論平均轉(zhuǎn)矩還是轉(zhuǎn)矩波動都優(yōu)于V型電機(jī)，但是在一相短路故障時(shí)，由于V型電機(jī)的短路電流小于表貼式的短路電流，氣隙磁場畸變小導(dǎo)致其轉(zhuǎn)矩波動低于表貼式轉(zhuǎn)子，但也導(dǎo)致了其平均轉(zhuǎn)矩的下降幅達(dá)大于表貼式轉(zhuǎn)子。

圖11為兩種電機(jī)在故障狀態(tài)下的損耗。在開路故障下，由于故障相沒有電流所以電機(jī)銅耗相應(yīng)下降。另外，電機(jī)短路電流的幅值在設(shè)計(jì)時(shí)就被限制在額定電流幅值附近，因此在短路故障時(shí)電機(jī)損耗也沒有增加。

圖11 電機(jī)故障狀態(tài)損耗

在故障狀態(tài)下永磁體的渦流損耗也比正常運(yùn)行時(shí)要低，表貼式電機(jī)在一相及兩相故障時(shí)的渦流損耗分別是60W和50W，V型電機(jī)分別是8W和7W，可見由于內(nèi)嵌式電機(jī)由于永磁體埋在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，幾乎不受氣隙磁密中諧波的影響，其永磁渦流損耗在正常狀態(tài)和故障狀體都要遠(yuǎn)低于表貼式電機(jī)。另外，故障時(shí)兩種電機(jī)的鐵心損耗與正常態(tài)相差無幾。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在故障狀態(tài)下兩種電機(jī)的損耗與正常狀態(tài)相差不大，而表貼式電機(jī)在3種開路故障時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出能力都優(yōu)于V型轉(zhuǎn)子電機(jī)，所以表貼式電機(jī)相較于內(nèi)嵌式電機(jī)。

4 結(jié) 論

本文通過有限元仿真對比了用磁量相等的表貼式轉(zhuǎn)子和V型內(nèi)嵌轉(zhuǎn)子的20槽/18極電動汽車用五相容錯(cuò)PMSM，對比了兩種電機(jī)正常運(yùn)行和故障運(yùn)行時(shí)的性能。從仿真結(jié)果來看，采用表貼式轉(zhuǎn)子的容錯(cuò)電機(jī)在正常狀態(tài)下具有更高的平均轉(zhuǎn)矩、更小的轉(zhuǎn)矩波動、更高的輸出功率，正弦度更高的反電動勢；在故障狀態(tài)下，平均轉(zhuǎn)矩下降更低，轉(zhuǎn)矩波動也相對較小。但是V型轉(zhuǎn)子電機(jī)的渦流損耗更小，運(yùn)行噪聲也更小，并且短路電流也要小于表貼式轉(zhuǎn)子電機(jī)。但是在額定運(yùn)行狀態(tài)下?lián)p耗及噪聲兩者相差不大，從容錯(cuò)PMSM所需的總體性能來講，表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更適合在多相容錯(cuò)PMSM上使用。