馬霽旻,萬梓燦,劉光華,崔舜宇
(1. 湖北工業(yè)大學(xué),武漢 430068;2. 智新科技股份有限公司,武漢 430056)
目前,電動(dòng)汽車電機(jī)多采用稀土永磁同步電機(jī),而稀土永磁材料由于其珍貴性,開采也受到國家嚴(yán)格限制,導(dǎo)致稀土永磁材料的價(jià)格居高不下。受制于稀土材料的成本考量,部分學(xué)者將目光投向了價(jià)格較低、熱穩(wěn)定性較好的鐵氧體材料[1]。然而鐵氧體材料抗退磁能力較弱,在過載情況下極易退磁,嚴(yán)重影響電機(jī)的安全性,因此,亟待尋找一種鐵氧體電機(jī)抗退磁的方法。
與此同時(shí),永磁輔助同步磁阻電機(jī)(以下簡稱PMaSynRM)具有成本較低、磁阻轉(zhuǎn)矩利用率較高的特點(diǎn),逐漸受到了部分學(xué)者及電動(dòng)汽車生產(chǎn)廠商的重視。第四代豐田Prius電機(jī)相較于前一代,轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由“單V”型演變成了“V+一”型,并且在V型中間開了一個(gè)較大的矩形空氣槽,結(jié)果表明,磁阻轉(zhuǎn)矩占比由39.5%提升到48.4%[2],更好地利用了電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩。
綜上考慮,采用鐵氧體和釹鐵硼的混合永磁方案,可提高磁阻轉(zhuǎn)矩,同時(shí)降低鐵氧體退磁風(fēng)險(xiǎn)。本文首先推導(dǎo)了PMaSynRM的數(shù)學(xué)模型及電磁轉(zhuǎn)矩方程,接著提出三種不同的混合永磁方案,選取了電磁性能及抗退磁能力最強(qiáng)的方案,針對該方案進(jìn)行轉(zhuǎn)矩性能針對性優(yōu)化,最后與釹鐵硼電機(jī)進(jìn)行了對比,在保持轉(zhuǎn)矩性能的前提下,成本降低了6%,有一定實(shí)用價(jià)值。
在忽略電機(jī)渦流及磁滯損耗的前提下,建立了PMaSynRM的數(shù)學(xué)模型,如圖1所示。
圖1 PMaSynRM的矢量圖
圖1中,Ld和Lq分別為直軸及交軸電感;id和iq分別是直軸及交軸電流;us為電樞繞組電壓矢量;is為電樞繞組電流矢量;ψ0為電流is產(chǎn)生的磁鏈;ψpm為磁障中永磁體產(chǎn)生的磁鏈;ψs為電流is產(chǎn)生的磁鏈與永磁體磁鏈形成的合成磁鏈;α為is與q軸的夾角;β為is與d軸的夾角;γ為ψ0與d軸的夾角;δ為us與is之間的夾角。
PMaSynRM的數(shù)學(xué)模型如下表示。
電壓方程:
(1)
(2)
磁鏈方程:
ψd=Ldid+ψpm
(3)
ψq=Lqiq
(4)
電磁轉(zhuǎn)矩方程:
Tem=p(ψdiq-ψqid)=p[ψpmiq+(Ld-Lq)idiq]=
(5)
式中:Rs為電樞繞組的相電阻;p為極對數(shù)。
以該技術(shù)指標(biāo)為依據(jù)初步設(shè)計(jì)了一款混合永磁同步磁阻電機(jī),電機(jī)拓?fù)錇椤癠+V+一”結(jié)構(gòu),如圖2所示,主要基本參數(shù)如表2所示。
表1 電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)
圖2 電機(jī)拓?fù)鋱D
表2 電機(jī)主要基本參數(shù)表
針對釹鐵硼及鐵氧體的用量占比,進(jìn)行了三種不同的嘗試,為了降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),均使用了轉(zhuǎn)子分四段斜極的方案,如圖3所示。圖3中,轉(zhuǎn)子黑色磁鋼材料為釹鐵硼,灰色磁鋼材料為鐵氧體。
(a) 方案1
(b) 方案2
(c) 方案3
表3 三種不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果
由表3可知,方案2氣隙磁密及空載電動(dòng)勢畸變率為最低,釹鐵硼用量最少,但該方案轉(zhuǎn)矩能力最弱;方案3由于釹鐵硼的用量最高,氣隙磁密基波幅值最高,轉(zhuǎn)矩能力也最強(qiáng),同時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也最??;方案1氣隙磁密及空載電動(dòng)勢畸變率最高,同時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也最高,釹鐵硼用量及轉(zhuǎn)矩能力介于方案2及方案3中間。綜上考慮,如果從成本綜合考慮,方案1最為適合;而僅考慮轉(zhuǎn)矩能力時(shí),方案3為更好的選擇。
鐵氧體的退磁率也是衡量混合永磁同步磁阻電機(jī)的一個(gè)較為重要依據(jù)[5]。通過查看TDK的鐵氧體退磁曲線可知,F(xiàn)B12B牌號的鐵氧體在-20 ℃時(shí)退磁曲線拐點(diǎn)為0.075T,因此仿真時(shí)低于0.075T的部分默認(rèn)為不可逆退磁區(qū)域,退磁觀測線如圖4所示。該觀測線的磁密均高于0.075T,該觀測線上的鐵氧體未退磁,以此類推,通過退磁觀測線的方法可知磁鋼的退磁區(qū)域,峰值轉(zhuǎn)矩工況下的退磁仿真結(jié)果如圖5所示。
(a) 退磁觀測線示意圖
(b) 退磁觀測線仿真結(jié)果圖
(a) 方案1
(b) 方案2
(c) 方案3
圖5中,黑色區(qū)域即為鐵氧體的退磁區(qū)域,白色區(qū)域?yàn)槲赐舜艆^(qū)域。三種方案的鐵氧體退磁率分別為0.2%、29.4%、41.2%,可知即使方案1的釹鐵硼用量較小,但仍有最強(qiáng)的抗退磁能力,有較高的性價(jià)比。
通過對比三種方案的退磁率及電磁性能,選取最優(yōu)的方案1進(jìn)行轉(zhuǎn)矩針對性優(yōu)化,選取的優(yōu)化參數(shù)如圖6所示。圖6中,θ1,θ2分別為電機(jī)q軸上鐵氧體與釹鐵硼的偏移角度,以豎直方向上的虛線為基準(zhǔn),順時(shí)針為正角度,逆時(shí)針為負(fù)角度。均通入電流有效值為246A,探究幾種特定參數(shù)變化對轉(zhuǎn)矩及磁阻轉(zhuǎn)矩的影響。
圖6 轉(zhuǎn)子優(yōu)化參數(shù)示意圖
由圖7可知,隨著第一層槽間距Wb1的增加,轉(zhuǎn)矩及磁阻轉(zhuǎn)矩占比均呈上升趨勢,但在8mm處磁阻轉(zhuǎn)矩有一個(gè)下降的趨勢,因此還是選取8.5mm作為Wb1的參數(shù)值,此時(shí)轉(zhuǎn)矩及磁阻轉(zhuǎn)矩占比均達(dá)到了最大值。
圖7 Wb1變化時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩及磁阻轉(zhuǎn)矩占比變化圖
θ1變化對轉(zhuǎn)矩的影響如圖8所示,由于第一層d軸磁鋼的寬度限制,因此第一層槽偏移角度θ1最小只能為-1.5°,此時(shí)平均轉(zhuǎn)矩及磁阻轉(zhuǎn)矩均達(dá)到最大,此后隨著角度θ1的增大而逐漸減小。
圖8 θ1變化時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩及磁阻轉(zhuǎn)矩占比變化圖
考慮到應(yīng)力的要求,選取Wb2為2~4mm,每隔0.25mm仿真一次,結(jié)果如圖9所示。可知轉(zhuǎn)矩隨著第二層槽間隔Wb2的增加而線性增加,而磁阻轉(zhuǎn)矩占比卻大致呈反比關(guān)系,僅在2~2.25mm處線性增加。優(yōu)先考慮轉(zhuǎn)矩能力,因此選取Wb2的數(shù)值為4mm。
圖9 Wb2變化時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩及磁阻轉(zhuǎn)矩占比變化圖
由圖10可知,隨著第二層槽偏移角度θ2增加,平均轉(zhuǎn)矩及磁阻轉(zhuǎn)矩占比均呈下降趨勢,因此-5°為最優(yōu)選擇;同時(shí)考慮應(yīng)力要求,-5°為仿真時(shí)選取的最小值。
圖10 θ2變化時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩及磁阻轉(zhuǎn)矩占比變化圖
綜合考慮應(yīng)力及磁鋼寬度需求,選取d軸磁橋?qū)挾萕b3范圍為0.7~1.1mm,結(jié)果如圖11所示??芍琖b3選取0.7mm時(shí)轉(zhuǎn)矩性能達(dá)到最優(yōu)。
圖11 Wb3變化時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩及磁阻轉(zhuǎn)矩占比變化圖
外部磁橋?qū)挾萕b4對轉(zhuǎn)矩能力也有較大影響,因此對Wb4進(jìn)行針對性優(yōu)化,結(jié)果如圖12所示??芍?.7mm處轉(zhuǎn)矩能力最優(yōu),結(jié)合圖11可知,磁橋?qū)挾葘Υ抛柁D(zhuǎn)矩占比的影響較小,應(yīng)重點(diǎn)考慮其對轉(zhuǎn)矩能力的影響。
圖12 Wb4變化時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩及磁阻轉(zhuǎn)矩占比變化圖
由于PMaSynRM開了較多空氣槽,應(yīng)力方面可能會(huì)有一定的風(fēng)險(xiǎn),因此對該電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行應(yīng)力仿真,結(jié)果如圖13所示。
圖13 應(yīng)力仿真結(jié)果圖
硅鋼片30SWH1500的屈服強(qiáng)度為410MPa,該電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)速為12 000r/min,為了更高的安全性考慮,選取峰值轉(zhuǎn)速+15%的轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真,即13 800r/min,此時(shí)最大應(yīng)力值為407.15MPa,小于該硅鋼材料的屈服強(qiáng)度,安全性滿足要求。
該電機(jī)的原型機(jī)為一款使用釹鐵硼為永磁體的永磁同步電機(jī),如圖14所示。
(a)釹鐵硼電機(jī)仿真圖
(b)釹鐵硼電機(jī)樣機(jī)測試圖
由于電機(jī)定轉(zhuǎn)子沖片近似于用一個(gè)正方形硅鋼片,會(huì)產(chǎn)生邊角料,導(dǎo)致?lián)p耗,因此要考慮正方形電機(jī)沖片的成本,電機(jī)沖片示意圖如圖15所示。
圖15 電機(jī)沖片示意圖
通過對混合PMaSynRM的優(yōu)化,提升了其轉(zhuǎn)矩大小,在對比相同電流下的轉(zhuǎn)矩前提下,相比于初步設(shè)計(jì)的方案,電機(jī)疊長有所減小,取峰值轉(zhuǎn)矩電流相同情況下,與釹鐵硼電機(jī)的參數(shù)對比如表4所示。
由表4可知,優(yōu)化后的混合PMaSynRM材料成本相比釹鐵硼電機(jī)降低了6.0%,磁阻轉(zhuǎn)矩占比提升了10.8%;與此同時(shí),轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有較大幅度提升,綜合考慮成本及相關(guān)性能參數(shù),性價(jià)比有一定提升。
表4 兩種電機(jī)相關(guān)參數(shù)對比表
本文建立了PMaSynRM的數(shù)學(xué)模型,并推導(dǎo)了轉(zhuǎn)矩方程;根據(jù)對標(biāo)的釹鐵硼電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo),初步設(shè)計(jì)了電磁方案,并提出了三種混合永磁的方案,通過仿真對比了這些方案的電磁及抗退磁性能,發(fā)現(xiàn)外層“U”為鐵氧體,內(nèi)層“V+一”為釹鐵硼的方案最優(yōu),針對該最優(yōu)方案,進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩針對性優(yōu)化;將優(yōu)化后的混合永磁方案與對標(biāo)的釹鐵硼電機(jī)進(jìn)行對比,可知在電磁性能接近的前提下,混合永磁的方案雖然疊長增加了11.5%,但是依然能節(jié)省6%的成本,同時(shí)能提升10.8%的磁阻轉(zhuǎn)矩,有一定的實(shí)用價(jià)值。