劉建林，馮垚徑，高 磊，楊 凱

（1.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082；2.湖南機電職業(yè)技術(shù)學院，湖南 長沙 410151；3.華中科技大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074）

稀土永磁無刷直流電機是隨著電力電子技術(shù)及新型永磁材料的發(fā)展而迅速成熟起來的一種新型電機，具有體積小、重量輕、效率高、慣量小和控制精度高等優(yōu)點[1－2]，同時還保留了普通直流電機優(yōu)良的機械特性，廣泛應(yīng)用于伺服控制、數(shù)控機床、電動車輛、機器人等領(lǐng)域[1－4].

電動汽車是交通運輸業(yè)面臨能源與環(huán)境雙重壓力的必然選擇，是未來汽車工業(yè)的重要發(fā)展方向.永磁電機具有高效、高功率密度的特點，特別適宜用作電動汽車主驅(qū)電機.內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的機械強度高、弱磁調(diào)速能力強，永磁體的抗去磁能力強，在車輛驅(qū)動中永磁無刷直流電機應(yīng)用廣泛[5－12].本文基于已有的某輕型電動轎車，設(shè)計研究了一臺內(nèi)置式永磁無刷直流電機.

1 電機性能指標的確定

電動汽車驅(qū)動電機性能指標的確定需要根據(jù)電動汽車車輛參數(shù)以及動力性能指標分析確定.表1是該電動汽車的動力性能指標.

表1 電動汽車性能指標Tab.1 Performance of the electric vehicle（EV）

永磁無刷直流電機一般采用基速以下恒轉(zhuǎn)矩、基速以上恒功率的控制模式[2，13－15].為了獲得恰當?shù)霓D(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等性能指標，電動機與電動汽車之間動力參數(shù)的匹配需建立在對汽車行駛性能分析的基礎(chǔ)上[6].在本方案中，根據(jù)電動汽車極限加速時間、最高車速以及爬坡能力等對驅(qū)動性能的要求，得到電機的外特性曲線如圖1所示.

電機轉(zhuǎn)速與車速相對應(yīng)，因此額定轉(zhuǎn)速一般根據(jù)電動汽車的經(jīng)濟運行車速來確定.汽車在最大車速下水平勻速運行時所需的驅(qū)動功率，作為驅(qū)動電機的額定功率，進而得到電機的額定轉(zhuǎn)矩.根據(jù)電動汽車的檔位設(shè)計，峰值轉(zhuǎn)矩通常為額定轉(zhuǎn)矩的2～3倍.再綜合考慮運行經(jīng)濟性、成本等因素，確定本方案中電機的主要性能指標如表2所示.

圖1 驅(qū)動電機外特性Fig.1 Output characteristic of the drive motor

表2 電機性能指標Tab.2 Motor parameters

2 電機參數(shù)設(shè)計

2.1 主要尺寸

電機的主要尺寸包括：電樞直徑D1、電樞有效長度Lef和電機長徑比λ.根據(jù)電機材料以及散熱條件等要求，選取合理的電負荷、磁負荷后，可大致確定電機的體積；考慮電動汽車的安裝尺寸要求，確定合理的電機長徑比，再根據(jù)電機體積即可初步估算出電樞直徑和電樞有效長度.主要尺寸的選取可采用如下估算公式[16]：

式中，TN為電動機額定轉(zhuǎn)矩，A為線負荷，Bδ1為氣隙磁密基波幅值，p為電機極對數(shù).電機長徑比λ可取值為1.5～2范圍內(nèi).

2.2 定子繞組

理想的無刷直流電機要求具有相當寬度的梯形波反電動勢，因此在繞組設(shè)計時盡可能選擇集中整距繞組[14].定子繞組匝數(shù)影響電機的反電勢系數(shù)、交直軸電抗等參數(shù)，且一定程度上決定了高效運行范圍，設(shè)計時要根據(jù)額定轉(zhuǎn)速來合理選取.為了獲得較高的功率因數(shù)，繞組匝數(shù)選取時應(yīng)使空載反電勢與額定電壓值相當.

2.3 極弧系數(shù)

理想的無刷直流電機要求氣隙磁密波形為方波，故永磁磁極設(shè)計需選擇盡可能大的極弧系數(shù)[14].采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)時，除保證足夠的永磁體寬度以提供盡可能大的氣隙磁通外，極弧系數(shù)還受到隔磁橋尺寸和永磁體厚度的影響，需綜合選取.

對于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，極弧系數(shù)αp近似為電機極靴弧長b與極距τ1之比[16]，即

2.4 永磁體尺寸

永磁體尺寸主要指磁鋼的軸向長度LM，寬度bM和磁化方向厚度hM.磁鋼的軸向長度一般與電動機鐵心長度相同，寬度根據(jù)所需磁負荷確定.磁化方向厚度要兼顧電磁性能與機械性能：磁鋼太厚容易導致直軸電抗小、影響弱磁擴速能力，經(jīng)濟性也較差；磁鋼太薄則可能無法保證足夠的過載能力，同時容易發(fā)生不可逆退磁、可靠性降低，且機械強度差.

對于“一字型”徑向磁路結(jié)構(gòu)的電機，可按如下預估公式來計算永磁體尺寸[16]：

式中，bm0為預估的永磁體空載工作點，一般取值為0.6～0.85；Ks為電動機的飽和系數(shù)，取值為1.05～1.3；Kα為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)系數(shù)，取值為0.7～1.2；σ0為空載漏磁系數(shù)；KΦ為氣隙磁通波形系數(shù)，與電機的極弧系數(shù)有關(guān)；Br為永磁體剩磁密度.

2.5 設(shè)計結(jié)果

本文借助Ansoft軟件進行設(shè)計，并對磁路法計算結(jié)果進行了有限元仿真分析.圖2是電機的四分之一二維仿真模型.

圖2 電機電磁分析模型Fig.2 Motor electromagnetic model

仿真分析得到的空載氣隙磁密波形和繞組空載反電勢波形分別如圖3和圖4所示.

圖3 空載氣隙磁密Fig.3 Air gap magnetic flux density

圖4 繞組反電勢Fig.4 Induced voltage

3 關(guān)鍵參數(shù)對電機性能的影響

電機設(shè)計過程中，主要尺寸一旦確定，可變參數(shù)就局限于氣隙長度、永磁體尺寸、定子線圈匝數(shù)等.為探究上述關(guān)鍵參數(shù)對電機性能的影響，利用Ansoft軟件中Rmxprt模塊的參數(shù)化分析功能，研究參數(shù)調(diào)整對電機效率、轉(zhuǎn)矩電流比的影響.考慮到飽和、漏磁等非線性因素對電機性能的影響，分析時結(jié)合Maxwell 2D有限元分析對參數(shù)化分析結(jié)果進行了修正.

本文選取了4組方案的分析結(jié)果進行對比，具體方案的參數(shù)設(shè)置如表3所示.

表3 對比方案的參數(shù)設(shè)置Tab.3 Parameter settings of comparison projects

3.1 氣隙長度對電機性能的影響

僅改變氣隙長度，即采用方案1與方案2進行對比分析.計算結(jié)果如下：圖5為輸出轉(zhuǎn)矩對比曲線，圖6為效率對比曲線，圖7為轉(zhuǎn)矩電流比對比曲線.

圖5 輸出轉(zhuǎn)矩對比Fig.5 Contrast of output torque

圖6 效率對比Fig.6 Contrast of efficiency

從圖5～7可以看出：在轉(zhuǎn)矩輸出相同的情況下，方案2在低速區(qū)（0～2 000r／min）具有更高的效率和更大的轉(zhuǎn)矩電流比，在高速區(qū)兩種方案獲得的電機性能相當.由此可知，減小氣隙長度可提高電機低速區(qū)性能.當然，實際設(shè)計中還要考慮制造、裝配等因素，在滿足機械加工要求的前提下盡可能選擇較小的氣隙.

圖7 轉(zhuǎn)矩電流比對比Fig.7 Contrast of the torque－current ratio

3.2 永磁體厚度對電機性能的影響

僅改變永磁體厚度，即采用方案1與方案3進行對比分析.計算得到輸出轉(zhuǎn)矩、效率以及轉(zhuǎn)矩電流比的對比曲線如圖8～10所示.

圖8 輸出轉(zhuǎn)矩對比Fig.8 Contrast of output torque

圖9 效率對比Fig.9 Contrast of efficiency

從圖8～10可以看出：在轉(zhuǎn)矩輸出相同的情況下，方案3在整個運行區(qū)域內(nèi)具有更高的效率和更大的轉(zhuǎn)矩電流比.由此可知，增加永磁體用量對電機整體運行性能有所提升.但是，永磁體用量的增加會使電機造價提升，在實際設(shè)計時要綜合考慮，兼顧成本.

圖10 轉(zhuǎn)矩電流比對比Fig.10 Contrast of the torque－current ratio

3.3 定子線圈匝數(shù)對電機性能的影響

僅改變定子線圈匝數(shù)，即采用方案1與方案4進行對比分析.計算得到輸出轉(zhuǎn)矩、效率以及轉(zhuǎn)矩電流比的對比曲線如圖11～13所示.

圖11 輸出轉(zhuǎn)矩對比Fig.11 Contrast of output torque

圖12 效率對比Fig.12 Contrast of efficiency

圖13 轉(zhuǎn)矩電流比對比Fig.13 Contrast of the torque－current ratio

從圖11～13可以看出：在轉(zhuǎn)矩輸出相同的情況下，方案4的轉(zhuǎn)矩電流比在低速區(qū)（0～2 000r／min）明顯小于方案1，但在高速區(qū)效率和轉(zhuǎn)矩電流比有所提升.由此可知，適當減少繞組匝數(shù)可以提高電機高速區(qū)的性能，但同時會導致低速區(qū)轉(zhuǎn)矩電流比下降，這就意味著系統(tǒng)對控制器的電流輸出能力提高，在實際設(shè)計時需要特別注意.

4 負載率對電機性能的影響

電動汽車的實際運行工況相當復雜，電動機不可能維持在某一特定工作點運行，負載率處于不斷變化當中.考察不同負載率下的電機性能，有助于綜合評判電機設(shè)計質(zhì)量.在此選取不同的轉(zhuǎn)矩特性曲線進行分析，如圖14所示，轉(zhuǎn)矩特性1～3分別代表的是重載、額定負載和輕載條件下的運行情況.分析得到3組隨負載率變化的效率、轉(zhuǎn)矩電流比特性曲線，分別如圖15和圖16所示.

圖14 輸出轉(zhuǎn)矩對比Fig.14 Contrast of output torque

圖15 效率對比Fig.15 Contrast of efficiency

從圖14～16可以看出，不同負載率下，電機的效率和轉(zhuǎn)矩電流比有著明顯的差別.

任意負載下，電機效率都會隨著轉(zhuǎn)速的增加而先增大后減小，但重載情況下的效率最大值出現(xiàn)在額定轉(zhuǎn)速以下，額定負載時的效率最大值出現(xiàn)在額定轉(zhuǎn)速附近，而輕載時的效率最大值出現(xiàn)在額定轉(zhuǎn)速以上；相同轉(zhuǎn)速下，額定負載時電機的效率較高，說明設(shè)計方案對電機額定點的選取較為合理.

圖16 轉(zhuǎn)矩電流比對比Fig.16 Contrast of the torque－current ratio

由于電機在高速運行區(qū)進行了弱磁擴速，轉(zhuǎn)矩電流比的變化同時還受到電流超前導通角的影響，因此僅對低速運行區(qū)的情況進行比較發(fā)現(xiàn)：在未進行超前導通角調(diào)節(jié)的運行區(qū)域，相同轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩電流比隨著負載率的增加而增大.分析認為：由于內(nèi)置式永磁無刷直流電機轉(zhuǎn)子磁路不對稱，使得輸出轉(zhuǎn)矩中包含磁阻轉(zhuǎn)矩分量，而磁阻轉(zhuǎn)矩正比于電流的平方.因此，當負載功率增加引起輸入電流增大時，輸出轉(zhuǎn)矩增大的幅度更大，故轉(zhuǎn)矩電流比增大.這也是內(nèi)置式永磁電機與表貼式永磁電機在設(shè)計時的一個重要差別.

5 優(yōu)化樣機及測試

根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)、負載率等因素對電機性能的影響結(jié)果，對樣機設(shè)計方案進行了優(yōu)化.主要的設(shè)計參數(shù)優(yōu)化結(jié)果如表4所示.

表4 樣機設(shè)計參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Tab.4 Parameter settings of comparison projects

圖17為采用優(yōu)化設(shè)計方案制作的樣機，經(jīng)實驗測試可得到電動機的外特性曲線.

圖18中，將樣機的測試性能結(jié)果與電動車驅(qū)動系統(tǒng)所要求的目標性能指標（即通過電動機與電動汽車之間動力參數(shù)的匹配得到的電機外特性曲線）進行對比，由圖可以看出：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的轉(zhuǎn)矩和功率都能較好地滿足系統(tǒng)要求，恒功率區(qū)也達到目標值，樣機綜合性能符合應(yīng)用需要.

圖17 優(yōu)化樣機Fig.17 Optimized prototype

圖18 優(yōu)化樣機的測試性能與目標性能對比Fig.18 Contrast of test and target performance of the prototype

6 結(jié) 論

1）設(shè)計了一臺電動汽車用內(nèi)置式永磁無刷直流電動機，并分析了電機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對效率、轉(zhuǎn)矩電流比的影響.在機械加工能力允許的前提下，適當減小氣隙長度可提高電機低速區(qū)性能；在兼顧成本的同時，適當增加永磁體用量可提升電機整體性能；適當減少繞組匝數(shù)可提高電機高速區(qū)性能，但會導致低速區(qū)的轉(zhuǎn)矩電流比下降.

2）分析了不同負載率下電機的性能.電機的效率在輕載時較低，重載時較高，額定負載時電機整體效率最高，說明設(shè)計方案對額定點的選取合理；轉(zhuǎn)矩電流比隨負載率的增加而增大，主要是由于輸出轉(zhuǎn)矩中存在著與電流成平方正比關(guān)系的磁阻轉(zhuǎn)矩分量導致的，這是內(nèi)置式永磁電機與表貼式永磁電機的一個重要區(qū)別.

3）根據(jù)優(yōu)化設(shè)計方案研制了樣機并完成性能測試.測試結(jié)果表明，樣機在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)的轉(zhuǎn)矩、功率都滿足驅(qū)動系統(tǒng)要求，樣機綜合性能符合應(yīng)用需要.

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