韋富藝　姚世興　呂俊標(biāo)　吳茂軍

摘 要：本文提出了一種新的混合勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)（HEDM），電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分由組合磁極永磁轉(zhuǎn)子和無(wú)刷電爪轉(zhuǎn)子組成，建立等效磁路模型，計(jì)算爪極轉(zhuǎn)子的空載泄漏系數(shù)，對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了新型HEDM作為車載電機(jī)的合理性和可行性，為新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。

關(guān)鍵詞：混合勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電機(jī) 雙轉(zhuǎn)子

1 引言

由于永磁體材料的固有特性，永磁體電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)保持恒定且無(wú)法調(diào)整，這限制了其在寬速度控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的使用[1]。通過(guò)控制系統(tǒng)控制電機(jī)速度的成本高，速度范圍小[2]。混合磁路驅(qū)動(dòng)電機(jī)不僅具有永磁電機(jī)高功率密度和高效率的優(yōu)點(diǎn)，而且具有電勵(lì)磁電機(jī)氣隙磁場(chǎng)平滑可調(diào)的特點(diǎn)[3]。與其他類型的同步電機(jī)相比，新型的混合勵(lì)磁繞線同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩大，因此對(duì)逆變器和控制策略的要求更高。為了使新型混合勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有良好的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力[4]，本文提出了一種新型的混合勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2 HEDM的結(jié)構(gòu)和磁路分析

永磁電機(jī)具有高功率密度和高效率，但永磁磁場(chǎng)是不可調(diào)節(jié)的，并且控制系統(tǒng)很復(fù)雜。電勵(lì)磁電機(jī)易于控制，輸出轉(zhuǎn)矩可以控制，但勵(lì)磁損耗高，效率低[5]。本文介紹了一種具有永磁體和電磁組合的三相混合勵(lì)磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

用于新能源汽車的HEDM由定子和轉(zhuǎn)子組成。轉(zhuǎn)子部分由無(wú)刷電勵(lì)磁爪極轉(zhuǎn)子和組合磁極永磁轉(zhuǎn)子組成。

2.2 HEDM的磁路分析

混合勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)為并聯(lián)磁勢(shì)源結(jié)構(gòu)，其主磁路分為組合磁極永磁電路和無(wú)刷電勵(lì)磁磁路兩部分。兩個(gè)磁路共用一個(gè)定子，彼此獨(dú)立。合成磁路是疊加在定子上的矢量，通過(guò)改變勵(lì)磁電流的大小和方向來(lái)改變合成磁場(chǎng)的大小。混合勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可以通過(guò)改變勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)。

2.2.1 組合磁極永磁轉(zhuǎn)子磁路分析

本文采用傳統(tǒng)的單徑向永磁鋼結(jié)構(gòu)作為比較，傳統(tǒng)切向結(jié)構(gòu)的有效磁通是單一路徑，組合磁極結(jié)構(gòu)的有效流量由兩個(gè)平行路徑組成，彌補(bǔ)了氣隙磁密度波形凹陷的問(wèn)題。

由圖1可知，兩個(gè)磁路并聯(lián)，使用徑向永磁鋼作為輔助磁極，帶來(lái)了更多的磁場(chǎng)容量，改善了切向磁場(chǎng)引起的氣隙磁場(chǎng)凹陷問(wèn)題，提高了集磁能力，并且進(jìn)一步優(yōu)化氣隙磁密度波形的正弦性。

Fmt和Fmc是切向永磁鋼和徑向永磁鋼產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)，Gmt和Gmc是切向永磁鋼與徑向永磁體鋼的等效內(nèi)導(dǎo)磁率，Gδt是切向永久磁鋼外端和內(nèi)端的漏磁電導(dǎo)，Gδc是徑向永磁鋼左右兩端的漏磁電導(dǎo)，Gr1和Gr2是有效磁路I和有效磁路II的轉(zhuǎn)子鐵芯的導(dǎo)磁率，Grp是相鄰兩個(gè)徑向永磁鐵無(wú)效磁路II之間的轉(zhuǎn)子鐵芯導(dǎo)磁率，Gair是主氣隙磁導(dǎo)率，G1是組合磁極永磁電機(jī)定子齒和定子磁軛的磁導(dǎo)率，F(xiàn)d1是電機(jī)空載狀態(tài)下電樞反作用直軸下的磁動(dòng)勢(shì)，Φpmt和Φpmc是切向永磁鋼和徑向永磁鋼產(chǎn)生的磁通，Φδt和Φδc是切向和徑向永磁鋼產(chǎn)生的泄漏流量，Φδ1是有效磁路I和有效磁路II的有效主流量。

2.2.2 爪極轉(zhuǎn)子磁路分析

正向電勵(lì)磁電流路徑是由電勵(lì)磁線圈感應(yīng)的N極→勵(lì)磁支架→爪桿→主氣隙→定子齒→定子軛→定子齒→主氣隙→爪極根→變化→S極由電勵(lì)磁線圈感應(yīng)，形成一個(gè)完整的閉環(huán)。由圖2可知，并聯(lián)爪極轉(zhuǎn)子的連接使合成磁場(chǎng)的尺寸不再單一，這使電機(jī)在多種工作條件下更適合汽車的環(huán)境。

其中，F(xiàn)e是爪形電勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)，Gm是爪極電勵(lì)磁繞組的等效內(nèi)部磁導(dǎo)率，F(xiàn)d2是爪極磁勵(lì)磁繞組的電樞反作用產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，Gδn是電勵(lì)磁爪極磁軛的磁導(dǎo)率，Gpf是磁通量的磁導(dǎo)率，Gpt是爪極齒的磁導(dǎo)率，Gpn是與磁通量相反的勵(lì)磁支架的磁導(dǎo)率，G2是磁通量路徑2中的漏電導(dǎo)，G3是磁通量通路3中的漏電導(dǎo)。G4是磁通量通道4中的漏導(dǎo)，G5是磁通量程徑5中的漏導(dǎo)電，Gair是主氣隙的磁導(dǎo)率，G1是無(wú)刷電勵(lì)磁爪極電機(jī)定子齒和定子軛的磁導(dǎo)率，Φm是爪極電勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁通，Φδ1是磁路1的主磁通，ΦΔ2是漏電流通路2，Φδ3是漏電流路徑3，Φδ4是泄漏流路徑4，Φδ5是泄漏流通道5。根據(jù)無(wú)刷電勵(lì)磁爪極電機(jī)的等效磁路，可以建立以下關(guān)系：

（1）

HEDM的無(wú)刷電勵(lì)磁磁場(chǎng)的空載泄漏系數(shù)表示為：

（2）

基于上述分析和解決方案，可以獲得無(wú)刷電勵(lì)磁磁場(chǎng)的空載泄漏系數(shù)，見(jiàn)下式（3）

爪極參數(shù)的優(yōu)化可以減少電機(jī)的漏磁，提高電機(jī)的氣隙流量密度，提高電機(jī)輸出性能。

3 仿真分析與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

3.1 HEDM仿真分析

3.1.1 組合磁極永磁轉(zhuǎn)子仿真分析

通過(guò)有限元分析獲得的電機(jī)磁力線的方向與磁路分析中的路徑一致。主磁極的切向磁場(chǎng)和輔助磁極的徑向磁場(chǎng)平行穿過(guò)氣隙，避免了電樞反應(yīng)引起的磁極不可逆退磁問(wèn)題。錨式磁柵解決了主磁極軸側(cè)端部漏磁的問(wèn)題，轉(zhuǎn)子的磁通飽和提高了永磁體的利用率，并驗(yàn)證了組合磁極的集磁效應(yīng)。

優(yōu)化前基波振幅為25.38V，優(yōu)化后基波振幅為31.03V，提高了15.2%。三次諧波從10.93V降低到1.06V，將反電勢(shì)的畸變率從43.89%降低到4.29%，下降了39.6%。這表明優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)改善反電勢(shì)有顯著作用。

優(yōu)化后的最大齒槽轉(zhuǎn)矩從754.61mN·m降低到241.94mN·m。優(yōu)化前輸出扭矩波動(dòng)很大，其扭矩波動(dòng)系數(shù)為39.1%。優(yōu)化后扭矩波動(dòng)系數(shù)降至4.8%，下降34.3%。此外，優(yōu)化后的平均扭矩從10.18 N·m增加到12.91 N·m，增加21.15%，驗(yàn)證了優(yōu)化方法的正確性。因此，合理優(yōu)化組合式永磁轉(zhuǎn)子的磁屏障結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以極大地改變HEDM的電磁特性，從而提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行性能。

3.1.2 無(wú)刷電勵(lì)磁爪極轉(zhuǎn)子仿真分析

激勵(lì)電流激發(fā)的軸向磁場(chǎng)通過(guò)爪極結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閺较虼艌?chǎng)。到達(dá)主氣隙后，通過(guò)定子返回主氣隙，到達(dá)爪極，形成完整的閉合回路。

優(yōu)化后的爪極的氣隙磁密度更加均勻，氣隙磁強(qiáng)度波形凹陷減少，氣隙密度峰值增加。然而，由于爪極電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，仍然存在一些泄漏情況。雖然爪極電機(jī)的效率相對(duì)較低，但磁場(chǎng)調(diào)節(jié)方便，驗(yàn)證了無(wú)刷勵(lì)磁電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

3.2 HEDM原型實(shí)驗(yàn)

3.2.1 齒槽轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)

為了分析仿真結(jié)果的正確性和合理性，制作了樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。電動(dòng)機(jī)的每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期對(duì)應(yīng)于48個(gè)正峰值和48個(gè)定子齒。圖3顯示齒槽轉(zhuǎn)矩最大值為236 mN·m，略小于模擬值。齒槽轉(zhuǎn)矩測(cè)試結(jié)果小于有限元模擬數(shù)據(jù)的原因不是測(cè)試儀器誤差大，而是有限元模擬的理想條件。實(shí)際樣機(jī)永磁強(qiáng)度小于模擬值，導(dǎo)致樣機(jī)永磁轉(zhuǎn)子齒槽轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)結(jié)果較小，但誤差在允許范圍內(nèi)。

3.2.2 輸出轉(zhuǎn)矩性能試驗(yàn)

為了測(cè)試HEDM的磁調(diào)制能力，使用測(cè)功機(jī)測(cè)試測(cè)試原型，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min，勵(lì)磁電流為2A時(shí)，HEDM的輸出轉(zhuǎn)矩約為16N·m。輸出轉(zhuǎn)矩隨正向勵(lì)磁電流的增大而增大，驗(yàn)證了HEDM具有一定的磁調(diào)制能力。

為了獲得HEDM在不同特征點(diǎn)下的輸出性能，對(duì)電機(jī)的不同特征點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。圖3中的橫坐標(biāo)分別表示表1中的各種特征點(diǎn)。HEDM的額定轉(zhuǎn)矩可達(dá)15.8 N·m，最大效率可達(dá)90.1%。該電機(jī)具有良好的輸出特性，可以滿足新能源汽車低速、高速和恒功率的要求。

4 結(jié)論

本文提出了適用于新能源汽車的新型HEDM，采用組合式磁極永磁轉(zhuǎn)子和無(wú)刷電動(dòng)爪極轉(zhuǎn)子并排共用一個(gè)定子的結(jié)構(gòu)，并分別建立了永磁轉(zhuǎn)子和爪極轉(zhuǎn)子的等效磁路模型。新型徑向永磁鋼和切向永磁鋼的組合提供了平行的磁流。與單一徑向PM鋼相比，流量泄漏減少，主流量增加。

極面偏心對(duì)空載反電勢(shì)的畸變率影響最大，焊接槽半徑對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩影響最大，錨式磁屏障的寬度和錨式磁屏蔽齒的半徑對(duì)平均轉(zhuǎn)矩影響最大。與優(yōu)化前的性能相比，齒槽轉(zhuǎn)矩降低了67.94%，空載反電動(dòng)勢(shì)畸變率降低了39.6%，平均轉(zhuǎn)矩提高了21.15%，轉(zhuǎn)矩系數(shù)降低了34.3%。

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