黃 磊, 彭 兵

(沈陽工業(yè)大學,沈陽 110870)

0 引 言

化石燃料的消耗是大氣污染的一個重要來源，發(fā)展尾氣低排放、零排放的新能源汽車迫在眉睫，這給傳統(tǒng)汽車行業(yè)帶來新的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)[1-2]。世界各大汽車廠商都開始進行電動汽車相關(guān)技術(shù)的研究與開發(fā)工作，電動汽車用內(nèi)置永磁同步電機以其功率密度大、轉(zhuǎn)矩密度高、效率高、耐退磁性能好和較高的穩(wěn)定及抗干擾能力，成為行業(yè)關(guān)注的重點和研究熱點[3]。

電動汽車內(nèi)置永磁同步電機面臨的一個重要問題是弱磁調(diào)速對運行性能的影響。文獻[4]以一臺8極12槽內(nèi)置永磁同步電機為例，指出電樞反應(yīng)磁通會增強齒尖和永磁體附近轉(zhuǎn)子區(qū)域的局部磁飽和，使得磁鏈發(fā)生顯著變化，導致電壓畸變，大大降低弱磁運行區(qū)域并降低平均轉(zhuǎn)矩，增大轉(zhuǎn)矩脈動。文獻[5]研究了轉(zhuǎn)子斜極、定子齒結(jié)構(gòu)優(yōu)化等幾種諧波抑制方法對分數(shù)槽內(nèi)置永磁電機端電壓畸變抑制的效果，研究發(fā)現(xiàn)，通過對磁導率和磁通路徑的修正，電機的局部磁飽和程度會降低，提高了電機弱磁工作區(qū)域。文獻[6]設(shè)計了一種具有變磁阻勵磁回路的永磁同步電機，轉(zhuǎn)子內(nèi)永磁體的位置隨著轉(zhuǎn)速的提高而發(fā)生變化，進而改變磁通，實現(xiàn)高速弱磁，但是由于永磁體不固定，電機的制造工藝會變高。文獻[7]提出將磁阻電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和表貼式永磁同步電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法，通過調(diào)整兩段轉(zhuǎn)子的長度和相對位置，實現(xiàn)弱磁擴速的目的。文獻[8]對內(nèi)置V型磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行分析，指出增加相鄰磁極間距可以提高弱磁能力，但是缺點是會增加氣隙磁密諧波和反電勢諧波。綜上所述，在解決電機弱磁問題方面，雖然方法很多，但在極槽配合對弱磁能力的影響較少有文獻涉及。

本文主要對不同極槽配合內(nèi)置式永磁同步電機的弱磁能力和抗飽和能力進行研究，采用有限元方法分析不同極槽配合電機在弱磁工況的反電動勢、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動和電感參數(shù)。

1 不同極槽配合電機設(shè)計

本文所設(shè)計的電機極數(shù)均為8極，槽數(shù)分別為18槽、36槽和48槽，三種電機的設(shè)計輸入?yún)?shù)如表1所示。三種電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示，所有被研究的電機的主要尺寸相同，如定子外徑、定子內(nèi)徑、氣隙長度、鐵心長度。為了獲得相同的空載反電勢，不同電機的每槽導體數(shù)作相應(yīng)調(diào)整。三臺電機的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

表1 三種電機的設(shè)計輸入?yún)?shù)

表2 研究樣機的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 三種極槽配合的電機模型

2 極槽配合對空載性能分析

2.1 極槽配合對空載反電勢的影響

利用Ansys-Maxwell軟件分別建立8極18槽、8極36槽和8極48槽內(nèi)置永磁同步電機的二維有限元模型，仿真分析得出空載反電勢波形和頻譜圖如圖2、圖3所示，大小分別為146 V、141 V、140 V。為了反映空載反電勢的正弦度，對不同電機反電勢的總諧波失真率(THD)進行了研究，定義為：

(1)

式中，U1為反電勢基波分量有效值；Un為反電勢諧波分量有效值。三臺電機的空載反電勢總諧波失真率計算結(jié)果如表3所示, 三臺電機的空載反電勢波形接近正弦波，總諧波失真率較低。

圖2 不同極槽配合電機空載反電勢波形

圖3 不同極槽配合電機空載反電勢頻譜圖

表3 不同極槽配合電機的空載反電勢總諧波失真率

2.2 極槽配合對齒槽轉(zhuǎn)矩波動的影響

三臺電機空載條件下的齒槽轉(zhuǎn)矩波形如圖4所示，三臺電機的齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值分別為0.047 Nm、 0.045 Nm、0.274 Nm。分數(shù)槽電機相比于整數(shù)槽電機對齒槽轉(zhuǎn)矩有削弱作用。

圖4 不同極槽配合電機的空載齒槽轉(zhuǎn)矩波形

3 極槽配合對高速弱磁性能影響分析

3.1 極槽配合對弱磁工況反電勢的影響

弱磁工況的反電動勢僅為負載時永磁體磁場感應(yīng)電壓。圖5和圖6計算并比較了轉(zhuǎn)速為8000 r/min，最大功率18kW高速弱磁條件下不同電機的反電勢波形和反電勢諧波頻譜圖。由于所有被測電機的匝數(shù)都經(jīng)過調(diào)整以獲得相同額定轉(zhuǎn)速下的空載反電勢，高速弱磁條件下的反電動勢與空載反電勢的差值可以反映高速弱磁條件下磁飽和的影響。反電勢總諧波失真率的計算結(jié)果如表4所示。可以看出，在轉(zhuǎn)速為8000 r/min，功率為18 kW的條件下，三臺電機的反電勢明顯失真。這有兩個原因。首先，永磁漏磁通和電樞反應(yīng)漏磁通共享齒尖，在高速弱磁條件下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，所加的電流增大，永磁漏磁通和電樞反應(yīng)漏磁通會升高，加劇了齒尖的磁飽和。其次，齒尖上增加的磁飽和會導致更大的磁鏈波動，最終降低基波反電動勢。在不同極槽配合電機中，整數(shù)槽電機比分數(shù)槽電機有更高的反電動勢失真。

圖5 不同電機反電勢波形(P=18 kW,n=8000 r/min)

圖6 不同極槽電機反電勢頻譜圖(P=18kW,n=8000 r/min)

表4 不同極槽配合電機的總諧波失真率(P=18kW)

3.2 極槽配合對轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動的影響

當電動汽車內(nèi)置永磁同步電動機運行在基速以上時，由于逆變器電壓的限制，需利用去磁d軸電樞反應(yīng)使得輸出電壓滿足最大限制要求，此時電機進入弱磁運行區(qū)。在高速弱磁工況下，不同極槽配合電機在功率為18 kW最高轉(zhuǎn)速為8000 r/min條件下的磁密云圖如圖7所示。從圖7中可以看到，磁飽和主要發(fā)生在定子齒尖部分。當進行恒功率弱磁調(diào)速時，為了維持高速運行時電壓的平衡，直軸去磁電流id增加，產(chǎn)生的磁動勢去磁作用增強，削弱了永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場，雖然使得電機的定子齒和定子軛部分的磁飽和程度降低；但是由于永磁體磁場與電樞磁場的相互作用，電機齒尖部分依然會出現(xiàn)不對稱的局部磁飽和。

圖7 高速弱磁工況三種極槽配合電機的磁密云圖

在高速弱磁工況下，不同極槽配合電機功率為18 kW最高轉(zhuǎn)速為8000 r/min條件下的輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖8所示。18槽、36槽、48槽電機轉(zhuǎn)矩分別為21.53 Nm 、21.91 Nm 、21.21 Nm，在不同電機的比較中，18槽電機的轉(zhuǎn)矩波動受齒尖磁飽和的影響最低為19.13%；36槽電機為24.46%，48槽電機為32.02%。說明分數(shù)槽電機相比于整數(shù)槽電機能夠更好的削弱局部磁飽和對轉(zhuǎn)矩波動的影響。

圖8 高速弱磁工況不同極槽配合電機的輸出轉(zhuǎn)矩

三種極槽配合電機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線如圖9所示?？梢钥吹?6槽和48槽電機比18槽電機有更大的弱磁運行區(qū)域，但是18槽電機在高速弱磁工況下的轉(zhuǎn)矩波動最低，為了保證電動汽車內(nèi)置永磁同步電機在額定工況和高速弱磁工況都有良好的工作性能，綜合考慮18槽電機為最佳的極槽配比。

圖9 轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性比較(U=220 V,I=85 A)

4 不同極槽配合電機電感參數(shù)的變化

對三臺電機的電樞繞組施加不同的id和iq, 得到不同工況下的交直軸電感參數(shù)，如圖10、圖11、圖12所示。在18槽電機中，Ld、Lq均會受到id、iq的影響。當iq較小時，隨著去磁電流id的增加，Ld會明顯升高，而當iq增大到一定值時，Ld不再隨著id的升高而明顯增加。整體上看，Ld、Lq都會隨著iq的增加而降低，Lq受iq增加下降明顯。相同的情況也可以從圖11、圖12中看到。

圖10 18槽電機電感參數(shù)

圖11 36槽電機電感參數(shù)

圖12 48槽電機電感參數(shù)

5 結(jié) 論

本文對不同極槽組合的內(nèi)置永磁同步電機高速弱磁條件下的反電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動情況

進行了分析比較。仿真結(jié)果表明,高速弱磁條件下整數(shù)槽和分數(shù)槽內(nèi)置永磁同步電機中都存在齒尖磁飽和現(xiàn)象，對電機性能影響很大。與分數(shù)槽電機相比，整數(shù)槽電機在反電勢方面諧波較高，轉(zhuǎn)矩波動較大。在弱磁擴速方面， 36槽和48槽的弱磁運行區(qū)域更大，但是整體上看，18槽電機有更低的轉(zhuǎn)矩波動，受d、q軸電流的影響，Ld和Lq不再是常數(shù)，并且隨著q軸電流的變大而降低。