摘要：為確定新能源汽車用永磁同步電機轉(zhuǎn)子總成裝配方案，對永磁體有磁來料裝配的前充磁方案和永磁體無磁來料裝配的后充磁方案進行比對，研究表明，前充磁方案轉(zhuǎn)子磁通量高于后充磁方案轉(zhuǎn)子磁通量，控制變量匹配整機試驗其峰值外特性對比小于2%，均滿足動力性指標(biāo)要求，且效率指標(biāo)持平，后充磁方案不影響產(chǎn)品性能，其裝配工藝性好、成品率高，設(shè)備維護保養(yǎng)成本低，是轉(zhuǎn)子總成充磁工藝方案最佳選擇。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機 轉(zhuǎn)子總成 后充磁工藝

中圖分類號：U466 " 文獻標(biāo)志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240001

Research on Magnetizing Process of Rotor Assembly for New Energy Vehicle

Li Quan， Zhao Huichao， Wang Sibo， Zhou Yiming， Lin Zhanxi， Dong Ping

（Global Ramp;D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013）

Abstract： In order to determine the assembly scheme of permanent magnet synchronous motor assembly for new energy vehicle， this paper compares the front magnetized rotor with rear magnetized rotor. The study shows that the magnetic flux of the front magnetization scheme is higher than that of the rear magnetization scheme， and its peak value external characteristics， comparison in the controlled variable motor test is less than 2%， which meets the requirements of power performance indicators， and the efficiency indicators of the two schemes are the same.Moreover， the rear magnetization scheme does not affect product performance， it is the best choice for the rotor assembly magnetization process for good assembly process， high yield， and low equipment maintenance cost.

Key words： Permanent magnet synchronous motor， Rotor assembly， Rear-magnetizing process

1 前言

永磁同步電機通過定子、轉(zhuǎn)子磁場間相互作用實現(xiàn)動力傳遞，具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、功率密度大、可靠性高、噪聲及振動小的優(yōu)勢，同時，我國稀土元素存量豐富，推動了永磁同步電機在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。永磁同步電機中的核心部件是永磁體，其磁性能直接影響電機性能。永磁體的材料、形狀、磁化方式[1]、充磁工藝等都會對電機的性能產(chǎn)生影響。

永磁體充磁工藝主要使用脈沖充磁機進行整體充磁而非傳統(tǒng)的永磁體單件充磁[2-3]，新能源汽車用電機總成的充磁方式可分為前充磁和后充磁轉(zhuǎn)子，前充磁指轉(zhuǎn)子裝配前永磁體已完成磁化，后充磁是指轉(zhuǎn)子裝配后整體磁化，2種充磁方式各有優(yōu)劣：前充磁可以保證永磁體的一致性和穩(wěn)定性，避免裝配過程中的振動、溫度等因素對磁化過程的影響，磁飽和度以及磁矩達到的飽和狀態(tài)要比后充磁高；由于后充磁受鐵芯磁導(dǎo)率、磁鋼尺寸公差以及充磁設(shè)備穩(wěn)定性的影響，其磁飽和狀態(tài)較差，但后充磁工藝性較優(yōu)、成本低、生產(chǎn)節(jié)拍快，適合大規(guī)模生產(chǎn)，是目前行業(yè)內(nèi)的首選。

本文主要研究前、后充磁工藝對轉(zhuǎn)子總成磁性能以及電驅(qū)動系統(tǒng)性能的影響，通過空載損耗和振動、外特性、反電勢以及效率指標(biāo)對比整機性能，結(jié)合生產(chǎn)線裝配便利性，綜合選擇轉(zhuǎn)子總成充磁工藝方案。

2 轉(zhuǎn)子整體充磁原理及檢測要求

2.1 整體充磁

轉(zhuǎn)子后充磁工藝將永磁體裝配至轉(zhuǎn)子鐵芯后進行整體充磁，需要使用整體充磁機。充磁機通過充磁線圈放電，在充磁線圈內(nèi)產(chǎn)生一個強大的磁場，使轉(zhuǎn)子的永磁體永久磁化，達到飽和充磁狀態(tài)[4-6]。

如圖1所示，充磁平臺主要由整體充磁線圈、轉(zhuǎn)子下壓機構(gòu)、表磁檢測機構(gòu)、整體充磁檢測平臺、磁場測試軟件系統(tǒng)組成。整體充磁機的參數(shù)如表1所示。整體充磁檢測平臺主要由充磁線圈和升降工作臺構(gòu)成，本文研究對象為雙V高磁阻設(shè)計轉(zhuǎn)子，單疊鐵芯含16片大磁鋼和16片小磁鋼，單片磁鋼高度為23.7 mm，總高度為142.2 mm。結(jié)合斜極要求，充磁線圈分6段進行整體充磁，充磁線圈磁極頭設(shè)計需考慮鐵芯高度公差。

2.2 充磁參數(shù)

本研究所用永磁同步電機轉(zhuǎn)子總成永磁體型號為52UH，電機極數(shù)為8極，轉(zhuǎn)子外徑為122 mm。同等能量下，充磁機充磁效果受電壓影響，當(dāng)使用高電壓充磁時，電壓上升陡峭，結(jié)構(gòu)沖擊力大，渦流大，磁力滲透深度淺；當(dāng)使用低電壓充磁時，電壓上升沿平緩，結(jié)構(gòu)沖擊力小，磁力滲透深度深。

本研究采用的充磁電壓U為3 000 V，電容C為20 000 μF，則充磁線圈所需能量J為：

[J=12CU2] "（1）

經(jīng)計算，J=9×104 J。通過驗證，采用以上充磁參數(shù)可使轉(zhuǎn)子磁鋼接近飽和充磁狀態(tài)。

2.3 磁通量及表磁檢測

為研究轉(zhuǎn)子總成前、后充磁工藝對轉(zhuǎn)子總成整體磁性能的影響，分別對前充磁與后充磁轉(zhuǎn)子進行磁通量以及表磁性能檢測。其中，磁通量檢測采用磁通計配合感應(yīng)線圈的方式檢測整體鐵芯磁通量，其中被測件采用提拉法將變化磁場借助測量線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，再將感應(yīng)電動勢積分，得到與磁場變化量成正比的輸出信號，從而推算出被測樣品的磁特性，其測量精度受傳感器動態(tài)響應(yīng)特性等因素的影響[7]。

傳感器的動態(tài)特性是指輸入量隨時間變化時傳感器的響應(yīng)特性，通常用如下微分方程來描述：

[andnydtn+an-1dn-1ydtn-1+…+a1dydt+a0y=bmdmxdtm+bm-1dm-1xdtm-1+…+b1dxdt+b0x] "（2）

式中：a0～an、b0～bm為與傳感器的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)的常系數(shù)。

當(dāng)傳感器的數(shù)學(xué)模型初始值為0時，對其進行拉式變換，即可得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H（s）：

[H（s）=Y（s）X（s）Y（s）=bmsm+…+b1s+b0X（s）=ansn+…+a1s+a0] （3）

式中：X為傳感器輸入量，Y為傳感器響應(yīng)特性。

為保證磁通量測試結(jié)果的一致性，連續(xù)間隔測量5次。

表磁特性主要包含表磁峰值和表磁面積值，表磁特性檢測采用高斯計。

高斯計探頭定位與轉(zhuǎn)子一定距離處，例如，當(dāng)距離為2 mm時，位置處于首層磁鋼高度（軸向方向）的中點，轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動，則高斯計實時測量該層磁鋼中心點的表磁，根據(jù)設(shè)計要求，每轉(zhuǎn)動0.01°記錄一個表磁數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一圈得到36 000個數(shù)據(jù)，完成后將探頭移動到下一層磁鋼，重復(fù)上述步驟，直到完成所有層磁鋼中點的磁感應(yīng)強度測量，作出對應(yīng)曲線，計算每個磁極峰值，每個磁極所占角度的磁極面積作為轉(zhuǎn)子總成表磁下線檢測標(biāo)準(zhǔn)。

3 轉(zhuǎn)子整體充磁

3.1 樣件準(zhǔn)備

制作2臺永磁同步電機轉(zhuǎn)子總成分別進行磁通量與表磁性能檢測，其中，1號轉(zhuǎn)子為前充磁轉(zhuǎn)子，2號轉(zhuǎn)子為后充磁轉(zhuǎn)子。

3.2 磁通量及表磁特性檢測結(jié)果

3.2.1 磁通量檢測

前充磁轉(zhuǎn)子與后充磁轉(zhuǎn)子的磁通量分別檢測5次，結(jié)果如圖2所示，前充磁轉(zhuǎn)子的平均磁通量為58.75 mWb，后充磁轉(zhuǎn)子的平均磁通量為55.312 mWb，后充磁轉(zhuǎn)子為前充磁磁通量的94.2%，相差約6%。

3.2.2 表磁特性檢測

前充磁轉(zhuǎn)子與后充磁轉(zhuǎn)子的表磁特性檢測結(jié)果如圖3、圖4所示，前充磁轉(zhuǎn)子表磁峰值與后充磁轉(zhuǎn)子基本持平。前充磁轉(zhuǎn)子表磁面積明顯大于后充磁轉(zhuǎn)子，說明前充磁轉(zhuǎn)子磁通量更大，與圖2所示趨勢一致，且后充磁轉(zhuǎn)子1～6層表磁面積均勻度較差，主要受充磁線圈與鐵芯匹配高度公差帶影響，且層間均勻度受端部效應(yīng)影響。

4 試驗對比

4.1 試驗安排及試驗方案

4.1.1 試驗安排

結(jié)合前、后充磁工藝對轉(zhuǎn)子總成性能的影響，進一步探究前、后充磁工藝對整機性能的影響。采用控制變量法，同一型號電機只更換1號、2號轉(zhuǎn)子總成進行對比試驗，圖5為測試電機總成。

4.1.2 試驗方案

空載損耗及振動采集試驗：測試環(huán)境溫度為20 ℃，轉(zhuǎn)速為100～14 500 r/min范圍內(nèi)均布15個工況點，記錄空載損耗值，試驗過程中記錄測試環(huán)境溫度。冷卻水流量為8 L/min，嚴(yán)格保證永磁體溫度保持在20 ℃，且在電機本體布置速度傳感器記錄振動速度。

反電勢測試：測試環(huán)境溫度分別為20 ℃、70 ℃，轉(zhuǎn)速分別為1 000 r/min、5 000 r/min，至少記錄3個周期空載線反電勢波形數(shù)據(jù)，保證每個電周期數(shù)據(jù)點不少于300個，需重點關(guān)注冷卻水保溫時長，嚴(yán)格保證永磁體溫度為20 ℃。

外特性測試：測試初始溫度為80 ℃，記錄反電勢有效值，在額定冷卻條件下測試1 000 r/min、5 000 r/min、6 500 r/min、12 000 r/min轉(zhuǎn)速工況點，分別記錄電機轉(zhuǎn)矩、電機輸入和輸出功率、逆變器輸入和輸出功率、繞組溫度、電機進出口水溫以及流量。試驗過程測量前后反電勢，保證繞組溫度為80～90 ℃。

十點工況循環(huán)效率測試驅(qū)動工況如表2所示。

十點工況循環(huán)效率測試分析計算方法是根據(jù)中國輕型汽車行駛工況（China Light-Duty Vehicle Test Cycle，CLTC）下驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和扭矩數(shù)據(jù)，按照區(qū)域能量分布統(tǒng)計分析方式進行等效工況計算[8]。

測試1 000 r/min轉(zhuǎn)速下反電勢有效值，判斷電機保溫效果，保證繞組溫度范圍為80～90 ℃時進行效率測試。記錄電機線電流、線電壓、電機轉(zhuǎn)矩、電機輸入和輸出功率、功率因數(shù)、電機效率及逆變器效率、繞組溫度、逆變器進出水口溫度、電機進出水口溫度，每個工況點測試3次，保證結(jié)果一致性。

4.2 試驗結(jié)果對比

4.2.1 空載損耗與振動

前充磁轉(zhuǎn)子樣機和后充磁轉(zhuǎn)子樣機的空載損耗與振動檢測結(jié)果如表3所示，對比結(jié)果如圖6、圖7所示，結(jié)果顯示，隨著轉(zhuǎn)速提升，前充磁轉(zhuǎn)子樣機空載損耗明顯低于后充磁轉(zhuǎn)子樣機，最大損耗相差7%。振動方面，隨著轉(zhuǎn)速提升，前充磁樣機振動速度明顯高于后充磁樣機。

4.2.2 反電勢結(jié)果

前充磁轉(zhuǎn)子樣機和后充磁轉(zhuǎn)子樣機在轉(zhuǎn)速分別為1 000 r/min、5 000 r/min下的反電勢檢測對比結(jié)果如圖8、圖9所示。

由對比結(jié)果可知，轉(zhuǎn)速越高，反電勢越大，且前充磁轉(zhuǎn)子樣機反電勢大于后充磁轉(zhuǎn)子樣機，且隨著轉(zhuǎn)速的提升，反電勢差值逐漸減小。轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，反電勢最大相差3%，轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時，反電勢最大相差0.1%，2種工藝方案反電勢差距較小。

4.2.3 外特性測試

前充磁轉(zhuǎn)子樣機和后充磁轉(zhuǎn)子樣機的外特性檢測結(jié)果如表4所示，對比結(jié)果如圖10所示，結(jié)果顯示，前充磁轉(zhuǎn)子樣機與后充磁轉(zhuǎn)子樣機在特定工況轉(zhuǎn)速下，實際扭矩?zé)o明顯差別。

4.2.4 十點工況循環(huán)效率

結(jié)合十點工況，前充磁轉(zhuǎn)子樣機與后充磁轉(zhuǎn)子樣機的效率檢測試驗工況與檢測結(jié)果如表5所示，結(jié)合圖11所示對比結(jié)果可知，在低轉(zhuǎn)速階段，前充磁轉(zhuǎn)子樣機的效率指標(biāo)比后充磁轉(zhuǎn)子樣機高1.76%，當(dāng)轉(zhuǎn)速范圍為0～4 000 r/min時，前充磁樣機效率明顯優(yōu)于后充磁樣機，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于4 000 r/min后，效率指標(biāo)基本持平。

5 結(jié)束語

本文研究了充磁工藝對轉(zhuǎn)子總成性能的影響，結(jié)果顯示，前充磁轉(zhuǎn)子樣機平均磁通量比后充磁樣機高約6%，前充磁轉(zhuǎn)子樣機表磁峰值與后充磁樣機持平，但其表磁面積明顯高于后充磁樣機，且后充磁受裝配定位及充磁設(shè)備誤差影響，第1～6層表磁面積均勻度較差，轉(zhuǎn)速提升后，由于磁不對稱，后充磁轉(zhuǎn)子樣機振動水平較低，但均在整機振動包絡(luò)要求范圍內(nèi)。整機空載損耗隨轉(zhuǎn)速增大而差異明顯，當(dāng)轉(zhuǎn)速處于7 000～14 000 r/min較高轉(zhuǎn)速區(qū)間時，前充磁樣機損耗低7%，同時在低轉(zhuǎn)速區(qū)，前充磁樣機效率高1.76%，但結(jié)合工況循環(huán)效率分析，低轉(zhuǎn)速在整個工況循環(huán)占比較小，在全工況效率指標(biāo)下效率無明顯差異。

總體來看，前、后充磁工藝對整機效率與外特性影響較小，6%的磁通量差距不影響產(chǎn)品性能，同時后充磁工藝有利于生產(chǎn)線設(shè)備選型，無需考慮設(shè)備受磁化的影響，成品率高且具有良好的裝配工藝性，因此，后充磁工藝是轉(zhuǎn)子總成裝配生產(chǎn)工藝的最佳選擇。

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