宋守許，李諾楠，夏 燕

(1.合肥工業(yè)大學 機械工程學院，合肥 230009；2.機械工業(yè)綠色設(shè)計與制造重點實驗室，合肥 230009)

0 引 言

隨新能源汽車的興起，永磁同步電動機在混動、純電動以及燃料電池汽車領(lǐng)域都發(fā)揮重要作用。未來數(shù)百萬的車用電機將迎來大面積淘汰，電機再制造問題亟待解決。

電機再制造是通過先進技術(shù)和工藝，提高電機效率，同時達到節(jié)能減排的目的[1]。目前針對電機再制造的研究主要有定轉(zhuǎn)子重新設(shè)計[2-3]、繞組重繞[4]、生命周期評估等。為節(jié)約資源和保護環(huán)境，應研發(fā)高效節(jié)能的電機產(chǎn)品[5]。非晶合金是一種低損耗材料，性能優(yōu)異，制造工序簡單，相比硅鋼片，加工能耗可降至20%[6]。Fan等[7]將非晶合金用于電動汽車電機定子鐵心，電機性能得到顯著提升。朱龍飛等[8]分別采用非晶合金和硅鋼鐵心制作了兩臺永磁電機，對比了損耗和效率特性。但非晶合金鐵心疊壓系數(shù)低、磁致伸縮系數(shù)較大，所開發(fā)樣機綜合性能不高[9]。韓雪巖等[10]研究了磁致伸縮和疊壓對非晶合金電機振動噪聲的影響。

電機的振動和噪聲是評估電動汽車性能的重要指標，齒槽轉(zhuǎn)矩是引起電機振動和噪聲的關(guān)鍵因素。為削弱齒槽轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)ei W等[11]提出了組合定子齒寬的優(yōu)化方法；汪道涵等[12]提出了不對稱磁極優(yōu)化方法。

再制造過程中零部件的可再設(shè)計范圍小，加大了提升電機性能的難度。現(xiàn)有文獻中鮮有涉及到再制造電機設(shè)計優(yōu)化及非晶轉(zhuǎn)子對再制造電機的影響。為提高車用再制造永磁電機性能，留用永磁體、定子等部件，將硅鋼轉(zhuǎn)子鐵心替換為低損耗的非晶鐵心，推導考慮轉(zhuǎn)子磁導的等效磁路模型。針對再制造電機輸出轉(zhuǎn)矩提高但齒槽轉(zhuǎn)矩升高的問題，提出磁極夾角-偏心外圓的轉(zhuǎn)子再設(shè)計方法。結(jié)合仿真分析，研究了再設(shè)計磁極夾角及氣隙偏心深度對電機性能的影響，為削弱非晶轉(zhuǎn)子再制造電機齒槽轉(zhuǎn)矩提供了優(yōu)化設(shè)計方案。

1 非晶合金轉(zhuǎn)子再制造電機

1.1 電機參數(shù)

選用已投入市場的車用JEEMC01003B型永磁電機為研究對象，電機鐵心模型如圖1所示，主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機主要參數(shù)

圖1 電機鐵心模型

1.2 材料性能

再制造電機保留硅鋼定子，轉(zhuǎn)子鐵心替換為非晶合金。原硅鋼材料牌號為B35AV1900，非晶合金材料牌號為Metglas2605SA1，兩種材料的磁性能數(shù)據(jù)如表2所示，非晶合金材料飽和磁密和鐵耗低，磁阻率高。

表2 非晶合金與硅鋼性能參數(shù)

2 再制造電機等效磁路解析

2.1 等效磁路模型建立

根據(jù)電機的結(jié)構(gòu)特點，永磁體可等效為一個恒定磁通源與一個恒定內(nèi)磁導的并聯(lián)磁路模型，V型永磁體的一支與相鄰的極性相反的一支共同參與構(gòu)成整個閉合磁路的磁通源，如圖2所示。

圖2 磁通路徑示意圖

由于氣隙磁阻遠大于定轉(zhuǎn)子磁阻，磁路分析時常將定、轉(zhuǎn)子磁阻忽略。針對再制造電機，轉(zhuǎn)子磁阻改變，需考慮其影響。由于轉(zhuǎn)子部分磁路長度不同，沿轉(zhuǎn)子外圓將V型永磁體的一支對應的轉(zhuǎn)子鐵心等弧度分成n份，轉(zhuǎn)子磁導相應分成n份，得電機等效磁路模型如圖3所示，圖3(a)為考慮定、轉(zhuǎn)子鐵心磁導的等效磁通模型，為更好地分析非晶轉(zhuǎn)子的影響規(guī)律，只另外考慮轉(zhuǎn)子磁導，簡化模型如圖3(b)。負載時主磁路中增加了電樞磁動勢，設(shè)每對極磁路中的電樞磁動勢為Fa。令Fa=0，得空載時的等效磁路。

圖3 等效磁路模型

其中，Φr和Φ0分別為永磁體虛擬內(nèi)稟磁通和虛擬內(nèi)稟漏磁通；Φδ和Φσ分別為永磁電機磁路主磁通和漏磁通；Λ0和Λσ分別為磁體內(nèi)磁導和電機漏磁路磁導；Λrn和Λgn(n=1,2,3……n)分別為電機主磁路轉(zhuǎn)子和氣隙n個部分的磁導；Λtn和Λtsn分別為對應定子齒部和軛部n個部分的磁導。

2.2 等效氣隙磁密及齒槽轉(zhuǎn)矩解析

再制造電機中，轉(zhuǎn)子磁導變化改變了原磁路分布，故等效磁路模型需考慮轉(zhuǎn)子鐵心磁導。由圖3(b)知，主磁路磁通計算公式為

(1)

式中，虛擬內(nèi)稟磁通Φr計算公式為

Φr=BrSm×10-4

(2)

Λ0為永磁體內(nèi)磁導，表示如下：

(3)

式中，Sm為永磁體單支的等效截面積，μr為永磁體相對磁導率，μ0為空氣磁導率。

由圖3(b)，電機主磁路轉(zhuǎn)子和氣隙n個部分的磁導Λrn、Λgn為

(4)

(5)

式中，μrt為轉(zhuǎn)子磁導率，Srn、Sgn分別為轉(zhuǎn)子和氣隙n個部分的有效截面積，hrn為轉(zhuǎn)子鐵心n個部分徑向厚度，hgn為氣隙n個部分的長度。

Λ為主磁路中轉(zhuǎn)子和氣隙磁導的總和：

(6)

由式(1)-式(6)可得氣隙磁密計算式為

(7)

式中，Sg為永磁體單支對應氣隙等效面積。

氣隙磁密是影響電機性能的關(guān)鍵因素。氣隙磁通和定子三相電流作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，感應電動勢中基波電動勢與電流作用產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，由法拉第電磁感應定律可知：

E=4KNmfNKdqΦδ

(8)

式中，KNm為氣隙磁場波形系數(shù)；f為電流頻率；N為每相串聯(lián)匝數(shù)；Kdq為繞組系數(shù)。

電機空載時存儲的磁場能量W對位置角α的負導數(shù)定義為齒槽轉(zhuǎn)矩，表達式為

(9)

假設(shè)電樞鐵心磁導率無限大，則：

(10)

由式(1)-式(6)知，非晶合金磁導率大于硅鋼，將導致電機轉(zhuǎn)子磁導增大，進而增大氣隙磁密幅值。由式(6)-式(8)知，轉(zhuǎn)子磁導增大，造成感應電動勢增大，可提高電機電磁轉(zhuǎn)矩。由式(9)-式(10)知，氣隙磁密增大，將造成電機齒槽轉(zhuǎn)矩升高，影響電機性能。因此，若要提升非晶轉(zhuǎn)子電機性能，需對磁密進行優(yōu)化。由式(7)知影響永磁電機氣隙磁密的因素包括氣隙長度hgn、轉(zhuǎn)子徑向厚度hrn，通過對非晶轉(zhuǎn)子外圓進行偏心再設(shè)計、磁極夾角再設(shè)計，可分別改變氣隙長度和轉(zhuǎn)子徑向厚度。合理設(shè)計hgn、hrn，將使再制造電機磁密波形得到優(yōu)化，綜合性能得到提升。

3 轉(zhuǎn)子再設(shè)計電機性能分析

3.1 非晶轉(zhuǎn)子電機性能分析

3.1.1 負載性能

相同條件下，對原電機與再制造電機進行仿真分析，得到兩者的轉(zhuǎn)矩與鐵耗情況分別如圖4和圖5所示。

圖4 原電機與再制造電機輸出轉(zhuǎn)矩

圖5 原電機與再制造電機鐵耗

由圖可知，再制造電機平均輸出轉(zhuǎn)矩為43.17 N·m，高于原電機的42.31 N·m；平均鐵耗為194 W，低于原電機的196.5 W。

3.1.2 空載性能

圖6 原電機與再制造電機氣隙磁密

圖7 原電機與再制造電機齒槽轉(zhuǎn)矩

3.1.3 偏心深度對再制造電機性能影響

再制造電機轉(zhuǎn)子偏心再設(shè)計模型如圖8所示，O為原轉(zhuǎn)子圓心，O′為偏心轉(zhuǎn)子外圓圓心，R為原轉(zhuǎn)子半徑，Rp為偏心圓半徑，H為偏心距，d為轉(zhuǎn)子外圓偏心深度，保持磁極結(jié)構(gòu)不變。由式(7)-式(10)知，偏心后氣隙長度的不均勻變化，會改變氣隙磁密值分布，影響齒槽轉(zhuǎn)矩。

為保證磁橋處強度，取偏心深度d范圍為[0-0.6]mm，步長為0.05 mm，建立不同偏心深度下再制造電機模型，仿真分析得齒槽轉(zhuǎn)矩的變化如圖9所示。隨d的增加，齒槽轉(zhuǎn)矩明顯下降。當d為0.6 mm時，再制造電機齒槽轉(zhuǎn)矩達到最小520.1 mN·m，仍是原電機的兩倍之多，難以達到優(yōu)化目標。

圖9 非晶轉(zhuǎn)子偏心再設(shè)計電機齒槽轉(zhuǎn)矩

3.2 轉(zhuǎn)子磁極夾角再設(shè)計電機性能研究

3.2.1 磁極夾角再設(shè)計模型

由式(1)-式(7)知，通過增大轉(zhuǎn)子鐵心徑向厚度hrn，轉(zhuǎn)子磁導隨之減小，可以降低氣隙磁密。當改變同極的磁極夾角，會帶來轉(zhuǎn)子徑向厚度變化，改變氣隙磁密分布。針對再制造特點，提出非晶轉(zhuǎn)子磁極夾角再設(shè)計模型如圖10所示。θm為原電機V型磁極夾角的一半，θmr為再設(shè)計磁極夾角，do1為原轉(zhuǎn)子模型磁極距轉(zhuǎn)子軸距離，do2為再設(shè)計后磁極嵌入深度增量，細實線為磁極嵌入深度增大了do2后的槽，保持永磁體寬度不變。磁鋼嵌入深度的增加，增大了轉(zhuǎn)子徑向厚度，減小了磁極夾角。因此，合理設(shè)計do2，優(yōu)化徑向厚度分布，有利于降低氣隙磁密。

圖10 非晶轉(zhuǎn)子磁極夾角再設(shè)計模型

3.2.2 磁極夾角對再制造電機性能的影響

為保證轉(zhuǎn)子強度，取do2范圍為[0.35-5.85]mm，步長為0.5 mm，建立各磁極嵌入深度下的電機模型，氣隙磁密幅值隨do2變化如圖11所示。由圖知，磁密幅值隨do2的增大而降低。

圖11 氣隙磁密隨增量do2的變化

再制造電機齒槽轉(zhuǎn)矩曲線如圖12所示，可得：由于磁密值的下降，齒槽轉(zhuǎn)矩也隨之下降，但是未能降低至原電機水平之下。

圖12 齒槽轉(zhuǎn)矩隨增量do2的變化

通過再制造電機偏心優(yōu)化和磁極夾角優(yōu)化設(shè)計的分析，兩種方法都能一定程度降低齒槽轉(zhuǎn)矩，但未能降低到原電機之下。

3.3 轉(zhuǎn)子磁極夾角-偏心外圓再設(shè)計電機性能優(yōu)化分析

3.3.1 磁極夾角-偏心外圓再設(shè)計模型

由3.1、3.2節(jié)分析可得，可綜合利用磁極夾角再設(shè)計降低磁密值和偏心轉(zhuǎn)子優(yōu)化磁密波形的方法，削弱電機齒槽轉(zhuǎn)矩，提升電機性能。再制造電機轉(zhuǎn)子磁極夾角-偏心外圓再設(shè)計模型如圖13所示。同時建立不同do2下不同偏心深度d的電機模型，進行仿真計算，對比分析參數(shù)do2、d對再制造電機性能影響規(guī)律。

圖13 磁極夾角-偏心外圓再設(shè)計模型

3.3.2 磁極夾角-偏心外圓再設(shè)計電機性能

基于圖13中的電機模型，仿真計算得各情況下的輸出轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩分別如圖14和15所示。

圖14 不同do2下，輸出轉(zhuǎn)矩隨偏心深度d的變化

由圖14知，在相同的do2下，再制造電機輸出轉(zhuǎn)矩隨d的增大而減小，當d在0.35～0.4 mm時，輸出轉(zhuǎn)矩下降的幅度最大，整體上輸出轉(zhuǎn)矩隨do2的增大而減小。

圖15 不同do2下，齒槽轉(zhuǎn)矩隨偏心深度d的變化

由圖15知，當do2為0.35mm、0.85 mm時，齒槽轉(zhuǎn)矩隨d增大而減小，在其它增量下，齒槽轉(zhuǎn)矩隨d的增大先減小后增大。使齒槽轉(zhuǎn)矩達到最低的d值，隨do2的增大而增大。

3.4 最優(yōu)參數(shù)

優(yōu)化后再制造電機的性能參數(shù)如表3所示。當do2為2.5 mm，d為0.35 mm時，相比原電機，再制造電機齒槽轉(zhuǎn)矩為192.4 mN·m，降低了22%，輸出轉(zhuǎn)矩為42.8 N·m，升高了0.5 N·m，效率最高為97.723%，鐵耗為175.1 W，降低了10%，再制造電機性能綜合提升。

表3 再制造電機性能優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)以車用永磁電機為例，將轉(zhuǎn)子鐵心替換為非晶合金進行再制造，齒槽轉(zhuǎn)矩大幅增加難以滿足性能要求。

(2)對非晶轉(zhuǎn)子分別進行偏心和磁極夾角再設(shè)計，齒槽轉(zhuǎn)矩分別隨偏心深度和磁極嵌入深度增大而減小，但單獨采用效果均不佳。

(3)提出轉(zhuǎn)子磁極夾角-偏心外圓的組合再設(shè)計方法，隨著磁極嵌入深度增大，再制造電機齒槽轉(zhuǎn)矩達到最小時的偏心深度值也逐漸減小。在相同的磁極嵌入深度下，輸出轉(zhuǎn)矩隨偏心深度的增大而減小。

(4)通過等效磁路及仿真分析，非晶磁導率大于硅鋼，增大了電機氣隙磁密，提升了輸出轉(zhuǎn)矩。當合理設(shè)計氣隙長度、轉(zhuǎn)子徑向厚度時，優(yōu)化氣隙磁密，降低齒槽轉(zhuǎn)矩，驗證了采用非晶轉(zhuǎn)子進行電機再制造的可行性。