翟秀果，李毅拓，陳西山，何 欣

(河南森源重工有限公司，長葛 461500)

0 引 言

現(xiàn)今隨著環(huán)境問題和能源問題的日漸突出，許多國家和地區(qū)先后頒布了新能源車輛強制使用法規(guī)和條例。以電動車輛為主的新能源車越來越被大眾所接受，在道路交通工具中其占比不斷提升[1]。

目前，國外最具代表性的電動汽車主要有以特斯拉 Model3、日產(chǎn)Leaf、寶馬i3等為代表的純電動汽車，和豐田Prius為代表的插電式混合電動汽車，以及豐田Mirai為代表的氫燃料電動汽車[2]。國內(nèi)的新能源汽車研發(fā)雖然起步較晚，但已初具規(guī)模，依托國家政策的導(dǎo)向及廣闊的市場需求，相關(guān)技術(shù)水平得到了不斷提升。目前，市場上已經(jīng)有大量的車型推出，以純電動汽車為主，包括部分插電式混動汽車，涵蓋乘用車、商用車以及專用車等領(lǐng)域，相關(guān)核心零部件及配套技術(shù)也逐漸完善[3]。

我國新能源汽車的銷售量目前已超過美國，我國已成為全球最大的新能源汽車市場，但是核心技術(shù)仍然存在一些問題。首先，電動車目前的續(xù)航里程不足。續(xù)航里程不足的問題嚴(yán)重影響消費者的使用體驗，制約著新能源汽車的發(fā)展與推廣，是急需解決的重要問題，而電驅(qū)動系統(tǒng)作為新能源汽車的核心零部件起到至關(guān)重要的作用。為解決這些問題，要求電驅(qū)動系統(tǒng)能夠提供高功率密度、高效率的解決方案。其次，電動車電驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性也是重要問題之一[4]。一方面，現(xiàn)有驅(qū)動電機定子多采用三相繞組，一旦某一相出現(xiàn)故障將對電機的可靠運行產(chǎn)生巨大影響；另一方面，目前主流的永磁同步電機存在永磁體失磁，進(jìn)而失去動力的風(fēng)險，高速時還存在失控后反電動勢過高的風(fēng)險，嚴(yán)重影響電驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性。

本文以一款9 kW鑄銅轉(zhuǎn)子雙三相異步電動機為例，探討鑄銅轉(zhuǎn)子的高效率性和雙三相定子的高可靠性。傳統(tǒng)異步電動機轉(zhuǎn)子鼠籠導(dǎo)條為鑄鋁結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子電阻較大，電機運行時轉(zhuǎn)子的損耗較大。若將鑄鋁鼠籠改為鑄銅鼠籠將大幅降低轉(zhuǎn)子電阻，從而降低轉(zhuǎn)子發(fā)熱，提高電機效率，節(jié)省電能，延長行駛里程。異步電動機因其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中不含永磁體，不存在永磁電機的失磁問題，鼠籠轉(zhuǎn)子的可靠性高于永磁電機，這也是蔚來電動汽車越來越傾向于使用異步電動機作為驅(qū)動電機的原因。另外，將三相定子繞組改為六相繞組，使定子具有較強的容錯運行能力，從定子方面進(jìn)一步提高電機運行可靠性。

1 動力匹配及電機性能

本文所研究的異步電動機擬用作小型代步電動汽車的驅(qū)動電機，該電機峰值功率需滿足：

Pr=max{Pv,Pg,Pj}

(1)

式中：Pv為電動汽車最高車速行駛時所消耗的功率；Pg為電動汽車的最大爬坡功率；Pj為電動汽車水平加速功率。

(2)

(3)

(4)

式中：ηt為機械傳動效率；M為整車質(zhì)量；g為重力加速度；fr為滾動阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；Af為車輛迎風(fēng)面積；δ為汽車的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；v為車輛速度[4]。

根據(jù)車輛具體參數(shù)，計算所需驅(qū)動電機的峰值功率Pr=9 kW。由車輛行駛速度計算電機峰值轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min。

由公式：

(5)

計算電機峰值轉(zhuǎn)矩TN=43 N·m。

根據(jù)異步電動機解析和實驗方程確定電機主要尺寸，其中定子內(nèi)徑：

(6)

式中：p為極對數(shù)，考慮到控制器開關(guān)頻率，本電機取值p=2；ρ為長度與極距比值，本電機取值1；αp為極弧系數(shù)，本電機取值0.7；Kf為氣隙磁通波形系數(shù)，取值1.11；Kw為分布繞組系數(shù)，本電機擬設(shè)計為單層繞組，取值0.96；A為電負(fù)荷，取值40 kA/m；B為磁負(fù)荷，取值0.8 T；Pr為電機峰值功率；n為峰值轉(zhuǎn)速；ε為反電動勢與額定電壓比值，本電機取值0.9；η為電機效率，暫取值0.92；φ為功率因數(shù)角。

根據(jù)式(6)計算電機定子內(nèi)徑尺寸Dsi=12 cm。

電機鐵心有效長度根據(jù)公式：

(7)

進(jìn)行估算得L=10 cm。

本電機擬采用鑄銅鼠籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，鼠籠導(dǎo)條和端環(huán)為一體壓鑄而成，可以提高電機輸出效率。另外，為了提高定子繞組容錯運行能力，本電機定子采用雙三相繞組，分別為A，B，C和U，V，W，雙三相間相角關(guān)系如下：

(8)

用相關(guān)數(shù)值在Maxwell軟件中進(jìn)行解析計算，得到電機基本參數(shù)，生成二維模型如圖1所示，雙三相電機參數(shù)如表1所示。

圖1 9 kW雙三相異步電動機一對極剖面圖

表1 鑄銅轉(zhuǎn)子雙三相異步電動機參數(shù)

計算得到電機輸出峰值狀態(tài)功率和轉(zhuǎn)矩，如圖2所示，從圖2中可看出,計算所得電機輸出特性滿足車輛動力要求。

圖2 電機輸出特性

2 對比分析

為了說明雙三相鑄銅轉(zhuǎn)子異步電動機的高效率和高可靠性特點，進(jìn)一步仿真計算相同尺寸參數(shù)下鑄銅轉(zhuǎn)子與鑄鋁轉(zhuǎn)子的效率差異，然后仿真計算電機在缺相運行時輸出特性差異。

2.1 鑄銅轉(zhuǎn)子和鑄鋁轉(zhuǎn)子電動機效率對比

用有限元軟件計算鑄銅鼠籠轉(zhuǎn)子異步電動機效率分布如圖3所示。計算鑄鋁鼠籠轉(zhuǎn)子異步電動機效率分布如圖4所示。

圖3 鑄銅轉(zhuǎn)子鼠籠電機效率分布

圖4 鑄鋁轉(zhuǎn)子鼠籠電機效率分布

鑄銅轉(zhuǎn)子和鑄鋁轉(zhuǎn)子在電機低速恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域效率差別較大，該區(qū)域電機大轉(zhuǎn)矩輸出，需要較高的勵磁電流，電機的損耗主要為銅耗，而銅材料電阻率遠(yuǎn)低于鋁，所以鑄銅轉(zhuǎn)子在該區(qū)域平均效率要高出鑄鋁轉(zhuǎn)子，從圖3和圖4中可以看出,低速區(qū)銅材料轉(zhuǎn)子效率比鋁材料轉(zhuǎn)子的電機效率平均高出10%～15%。高速區(qū)域兩種電機效率差別不大，這是因為高速運行時電機轉(zhuǎn)子勵磁電流較小，轉(zhuǎn)子銅耗不再是主要損耗，而是電機鐵耗、摩擦損耗以及定子銅耗，隨著轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)子銅耗在總損耗中的占比越來越小。

2.2 三相和雙三相異步電動機缺相運行對比

三相異步電動機外部電路圖如圖5所示，雙三相異步電動機外部電路圖如圖6所示。

圖6 雙三相電機外部電路圖

經(jīng)過計算三相電機和雙三相電機在繞組正常工作的情況下輸出轉(zhuǎn)矩一致，電機從起動到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩曲線如圖7所示。

當(dāng)A相斷路時，三相異步電動機的正序電路和負(fù)序電路為反向串聯(lián)，此時等效B,C相的等效電路圖如圖8所示。三相電機在對稱電壓供電情況下起動，穩(wěn)定工作后在0.2 s時A相斷路，此后電機轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)劇烈波動，波動幅值-5 N·m～75 N·m，整個過程電機輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖9所示。

圖7 電機輸出轉(zhuǎn)矩曲線

圖8 三相電路A相斷路

圖9 三相電機缺相運行輸出轉(zhuǎn)矩曲線

對比計算雙三相電機在A相突然斷路的輸出轉(zhuǎn)矩，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩也存在波動，但是波動幅值為30～55 N·m，轉(zhuǎn)矩波動明顯減弱，若在0.3 s時在控制器內(nèi)將有斷路的三相繞組整體切掉，只留另外三相工作，電機此時變?yōu)槿噙\行，輸出轉(zhuǎn)矩又可以恢復(fù)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩為40 N·m。雙三相電機從起動到穩(wěn)定，然后A相斷路運行，再到單三相運行，整個過程的輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖10所示。

圖10 雙三相電機缺相運行輸出轉(zhuǎn)矩曲線

從圖9和圖10可以看出，在對稱電壓供電的情況下，三相電動機在定子有一相斷路之后轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)劇烈波動，會導(dǎo)致電機嚴(yán)重過熱而損壞；而雙三相電機在定子有一相斷路之后轉(zhuǎn)矩波動較弱，短時間內(nèi)不會造成電機運行故障，使雙三相電機有足夠多的時間切換為單三相運行，雖然轉(zhuǎn)矩略大于峰值，但可以維持車輛繼續(xù)行進(jìn)至檢修區(qū)，因此雙三相電機對比傳統(tǒng)三相電機，可靠性得到了有效的提高。

3 優(yōu)化方案

根據(jù)電動汽車常用工況要求，希望電機在中速段具有高效率輸出特性，但從圖3看出，電機高效率區(qū)集中分布在低速區(qū)，為了優(yōu)化電機高效輸出方案，降低高速時鐵耗，需要對電機參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在不增加電機體積的條件下適當(dāng)增加低速部分銅耗，即調(diào)整定子和轉(zhuǎn)子槽截面面積，逐漸增加電機電負(fù)荷，降低電機的磁負(fù)荷。經(jīng)過參數(shù)化仿真計算得到最優(yōu)效率map的定轉(zhuǎn)子槽型。

優(yōu)化前后電機定子和轉(zhuǎn)子槽型如圖11所示。定轉(zhuǎn)子槽縮小后電機的二維剖面圖如圖12所示。

圖11 電機槽型優(yōu)化

圖12 槽型優(yōu)化后電機剖面圖

用有限元法計算優(yōu)化后的電機模型，得出電機峰值工況時的磁密圖，對比優(yōu)化前磁密圖(圖13)和優(yōu)化后的磁密圖(圖14)可以看出,優(yōu)化后定轉(zhuǎn)子齒部和軛部最高磁密由1.8 T降到1.6 T。

圖13 電機槽型優(yōu)化前峰值工況磁密圖

圖14 電機槽型優(yōu)化后峰值工況磁密圖

電機鐵心損耗公式：

(9)

式中：CFe為鐵心損耗系數(shù)；f為磁場交變頻率；Bm為鐵心磁密；G為鐵心質(zhì)量。

由式(9)可以看出，鐵心損耗與鐵心磁密的平方成正比，當(dāng)磁密降低之后，能降低相當(dāng)一部分的鐵心損耗。

計算優(yōu)化后的電機效率map，如圖15所示，從圖15中可以看出，電機整體效率有所提高，而且最高效率區(qū)域集中在中速段，最大限度地節(jié)省了汽車蓄電池電能，延長了續(xù)航里程。

圖15 電機優(yōu)化后輸出效率map

將電機的效率值結(jié)合電動汽車具體蓄電池參數(shù)，用ADVISOR軟件計算續(xù)航里程，計算結(jié)果如圖16所示，優(yōu)化前后電動汽車?yán)m(xù)航里程整體提升了10%左右。

圖16 電機優(yōu)化前后續(xù)航里程對比

4 實驗驗證

根據(jù)仿真計算數(shù)據(jù)，設(shè)計加工的電機定子和轉(zhuǎn)子如圖17所示。

圖17 電機雙三相定子和鑄銅轉(zhuǎn)子

該定子繞組為雙三相，兩套三相繞組都為星型連接，兩個中性點之間互相絕緣，定子線包共引出6個抽頭，分別為A，B，C和U，V，W；該轉(zhuǎn)子鼠籠銅條和端環(huán)為銅材料壓鑄而成，將硅鋼片疊壓之后放入壓鑄箱內(nèi)，抽真空之后將銅溶液壓鑄在轉(zhuǎn)子鐵心里面。

將定子、轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸、殼體裝配之后進(jìn)行臺架測試，如圖18所示。測試系統(tǒng)由兩臺電機、扭矩傳感器和控制器組成，控制器提供雙三相繞組的輸入電壓來驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。

圖18 鑄銅轉(zhuǎn)子雙三相電機臺架試驗

測試過程中，電機雙三相的電流波形如圖19所示。通過扭矩傳感器測量軟件讀取電機輸出轉(zhuǎn)矩，如圖20所示。

圖19 電機雙三相繞組電流

圖20 電機輸出轉(zhuǎn)矩值

對電機整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的輸出轉(zhuǎn)矩和功率進(jìn)行測試，繪制輸出特性曲線，如圖21所示。從圖21中可以看出，電機實測輸出特性接近于仿真值，可以覆蓋電動汽車所需要的動力特性。

圖21 電機實測輸出特性

5 結(jié) 語

本文以小型電動汽車用驅(qū)動電機為研究對象，設(shè)計并制造了一臺鑄銅轉(zhuǎn)子雙三相異步電動機，通過仿真對比分析和實測得出以下結(jié)論：

1) 銅材料鼠籠轉(zhuǎn)子較鋁材料鼠籠轉(zhuǎn)子電機效率最高可提升15%，低速運行工況電動機效率提升明顯，轉(zhuǎn)速升高后電機效率提升不明顯。

2) 和焊銅工藝相比，鑄銅鼠籠轉(zhuǎn)子強度高、速度快，易于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

3) 正常工作條件下，雙三相定子繞組電動機輸出特性和三相電動機一致。單定子繞組缺相運行時，雙三相電動機可以通過切繞組使其中三相單獨工作，從而提高電動機運行可靠性。

4) 電動機高效率分布區(qū)域須和電動汽車實際工況相結(jié)合，通過優(yōu)化電動機的磁負(fù)荷或者電負(fù)荷來使電機的高效率區(qū)盡可能多地覆蓋到實際工況，以此提高電驅(qū)系統(tǒng)的整體效率，達(dá)到延長電動汽車?yán)m(xù)航里程的目的。