石文敏 劉 靜 馮大軍 曹海東

(1.國(guó)家硅鋼工程技術(shù)研究中心 湖北 武漢:430080；2.武漢科技大學(xué) 湖北 武漢:430081;3.上海大學(xué) 上海:200072)

無(wú)取向硅鋼磁性能對(duì)電動(dòng)汽車電機(jī)性能的影響

石文敏1,2劉 靜2馮大軍1曹海東3

(1.國(guó)家硅鋼工程技術(shù)研究中心 湖北 武漢:430080；2.武漢科技大學(xué) 湖北 武漢:430081;3.上海大學(xué) 上海:200072)

隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，永磁同步電機(jī)以其高效率和高功率密度逐漸成為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主流選擇.研究給出了三種厚度規(guī)格無(wú)取向硅鋼片材料磁化曲線和鐵損曲線，并采用有限元分析軟件模擬得出了電動(dòng)汽車電機(jī)電感，反電動(dòng)勢(shì)、效率、轉(zhuǎn)矩、電機(jī)鐵損、電流等關(guān)鍵參數(shù)，由實(shí)驗(yàn)明確材料的磁感越高，電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩越高，電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩越低，電機(jī)電感也越高；材料的鐵損越低，裝機(jī)后電機(jī)的總鐵損也越低，電機(jī)效率也越高，尤其是在高轉(zhuǎn)速區(qū)效率優(yōu)勢(shì)更為明顯。

永磁同步電機(jī)；無(wú)取向硅鋼；有限元分析；效率；轉(zhuǎn)矩；鐵損；磁性能

由于CO2排放的限制和燃料成本的增加，生態(tài)友好型汽車如電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車正在蓬勃發(fā)展，有報(bào)道稱到2020年，將實(shí)現(xiàn)每年至少銷售520萬(wàn)輛電動(dòng)汽車，占整個(gè)汽車銷售量的7.3%以上[1]。在電動(dòng)汽車中，電機(jī)作為汽車主要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分對(duì)汽車的性能至關(guān)重要，而無(wú)取向硅鋼板的性能直接影響到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能[2]。內(nèi)置永磁同步電機(jī)(IPSPM)以其高功率密度和高效率已經(jīng)成為目前電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主流，在內(nèi)置永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)中，鐵芯材料的選擇是第一步也是最為重要的一步，為了實(shí)現(xiàn)高效率，往往使用低鐵損的硅鋼材料。為了降低鐵損，將使用厚度更薄的鋼板以降低渦流損耗，但是特殊的制造工藝使得低鐵損材料更加昂貴，而且低鐵損材料并非完美[3]。本文采用Ansoft軟件(有限元分析法)建立了內(nèi)置永磁同步電機(jī)模型，使用三種不同的硅鋼片材料的磁化曲線和鐵損數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行了電機(jī)性能的模擬，對(duì)模擬得出的各項(xiàng)電機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行了比較和分析。

1 試驗(yàn)材料

3.0%Si的無(wú)取向硅鋼，厚度分別為0.35mm，0.30mm，0.27mm。

2 試驗(yàn)方法

用線切割的方法將三種材料加工成外內(nèi)徑分別為100mm和84mm的環(huán)形試樣，疊片高度約8mm，繞線后測(cè)試20～10000Hz下的磁化曲線和鐵損曲線。選取內(nèi)置永磁同步電機(jī)(IPMSM)為模型(模型相關(guān)參數(shù)見表1)，用Ansoft電機(jī)仿真軟件計(jì)算相關(guān)材料裝機(jī)后的轉(zhuǎn)矩、電流、效率、輸出功率、直軸和交軸電感、反電動(dòng)勢(shì)、鐵損阻抗。

表1 模型電機(jī)的參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同材料的磁化曲線和鐵損曲線對(duì)比

圖1是3種材料在50Hz和400Hz下的磁化曲線，可以看出約在150A/m下的低場(chǎng)區(qū)，0.27mm材料的磁感最低，約在500A/m上的高場(chǎng)區(qū)0.27mm材料的磁感最高；同時(shí)0.30mm材料的磁感也要高于0.35mm的材料，且可以明顯看出在200A/m上的中、高場(chǎng)區(qū)，隨著場(chǎng)強(qiáng)的提高，硅鋼片規(guī)格越薄磁感提高越明顯。

圖1 不同材料在50Hz和400Hz下的磁化曲線

圖2 不同材料在1.0T、不同頻率下的鐵損

圖2是不同厚度材料在1.0T、不同頻率下的鐵損。由圖2可以看出：隨著頻率的上升，三種規(guī)格材料鐵損均是明顯提高；同時(shí)可以看出，在同一頻率下0.35mm、0.30mm、0.27mm材料的鐵損值也是依次增加，也即表明材料厚度越厚，鐵損升幅越大。

3.2 不同速度下鐵芯磁通密度分布和氣隙磁通量對(duì)比

圖3是不同材料制造的電機(jī)鐵芯中的磁通密度分布，可以看出0.35mm和0.30mm兩種材料制造的電機(jī)鐵芯中的磁通密度分布無(wú)明顯差異，但是0.27mm材料制造的電機(jī)鐵芯中在相同的位置磁通密度要稍高于0.35mm和0.30mm兩種材料，尤其是在6000r/min的高轉(zhuǎn)速下磁通密度明顯更高。

圖3 不同材料制造的電機(jī)鐵芯中的磁通密度分布

圖4是不同材料制造的電機(jī)鐵芯在峰值功率時(shí)的氣隙磁通量，可以看出交軸氣隙磁通量遠(yuǎn)大于直軸氣隙磁通量，0.27mm材料的直軸氣隙磁通量小于0.35mm和0.30mm的材料，而0.27mm材料的交軸氣隙磁通量在低轉(zhuǎn)速下(恒轉(zhuǎn)矩區(qū))高于0.30mm的材料，而0.35 mm材料的交軸氣隙磁通量最低；在高轉(zhuǎn)速下(恒功率區(qū)和功率下降區(qū))三種材料的交軸氣隙磁通量相近。另綜合直軸和交軸磁通量隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律還可以看出，3700rpm左右以下的低轉(zhuǎn)速下，即在電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)，磁通量保持最大，而在3700rpm左右以上的高轉(zhuǎn)速下，即在電機(jī)的恒功率控制區(qū)和功率下降區(qū)，由于采取弱磁控制，磁通量逐漸降低[4]。

圖4 不同材料制造的電機(jī)鐵芯中的氣隙磁通量

3.3 不同材料裝機(jī)后的轉(zhuǎn)矩和相電流對(duì)比

圖5是不同厚度材料裝機(jī)后電機(jī)的轉(zhuǎn)矩(相電流)曲線，可以看出在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，電機(jī)采用最大轉(zhuǎn)矩控制，所用材料越薄，電機(jī)轉(zhuǎn)矩越大，而在電機(jī)的恒功率控制區(qū)和功率下降區(qū)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)矩逐漸降低，且材料越薄轉(zhuǎn)矩越低。

Wen-Shyue Chen等認(rèn)為對(duì)于三相永磁直流同步電機(jī)，轉(zhuǎn)矩T可以表示為[5]

T=-3NLImBmrcos(θ)

θ為相電流角，N為每相繞組的總匝數(shù)，Im為定子繞組最大電流，L為定子鐵芯的有效長(zhǎng)度，Bm為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的最大磁通密度，r為轉(zhuǎn)子半徑，最大轉(zhuǎn)矩為Tm

A為轉(zhuǎn)子的橫截面積。

從上式可以看出，材料的磁感越高，其他條件相同的情況下電機(jī)轉(zhuǎn)矩越高，從圖1的結(jié)果可以看出，50Hz的低頻高磁場(chǎng)下(對(duì)應(yīng)低轉(zhuǎn)速下的恒轉(zhuǎn)矩區(qū))，0.27mm材料的磁感最高，而在此區(qū)域相電流幾乎沒有差別，因此在低轉(zhuǎn)速下的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，0.27mm材料的轉(zhuǎn)矩最大。而400Hz的高頻低磁場(chǎng)下(對(duì)應(yīng)高轉(zhuǎn)速下的恒功率區(qū)和功率下降區(qū))，與其它材料相比0.27mm材料的磁感稍低，且相電流也較低，因此反應(yīng)在轉(zhuǎn)矩速度圖上，其高轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩也稍低于0.35mm和0.30mm的材料。從相電流-轉(zhuǎn)速曲線來(lái)看，啟動(dòng)時(shí)相電流最大，且三種材料在低轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的相電流大小基本相同，但在高轉(zhuǎn)速的恒功率區(qū)和功率下降區(qū)相電流逐漸降低，且材料厚度越薄相電流越低。

圖5 不同厚度材料裝機(jī)后電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和相電流曲線

圖6是不同厚度材料裝機(jī)后電機(jī)的單位相電流轉(zhuǎn)矩曲線，可以看出，不同材料裝機(jī)后的差別主要體現(xiàn)在低速下的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，究其原因可能是高場(chǎng)下不同材料的磁感不同造成的。不同材料在高轉(zhuǎn)速的恒功率區(qū)和功率下降區(qū)單位相電流轉(zhuǎn)矩一致。

圖6 不同厚度材料裝機(jī)后電機(jī)的單位電流轉(zhuǎn)矩曲線

3.4 不同材料裝機(jī)后的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)比

在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，瞬時(shí)輸出力矩隨時(shí)間不斷變化，但是卻圍繞某一平均值上下變動(dòng)，這種現(xiàn)象就稱之為轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，拖動(dòng)負(fù)載穩(wěn)定性就低,也影響了速度的穩(wěn)定性，電機(jī)能耗增加。圖7 是不同厚度材料裝機(jī)后電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線，由圖7可以看出：在低速恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，材料裝機(jī)后的電機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小依次為0.35mm，0.30mm，0.27mm，其在低速最大磁通密度工作區(qū)，對(duì)應(yīng)的磁化曲線上磁感從高到低依次為0.27mm，0.30mm，0.35mm；在高轉(zhuǎn)速弱磁控制區(qū)，材料裝機(jī)后的電機(jī)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩大小依次為0.27mm，0.35mm，0.30mm，其在高速弱磁工作區(qū)，對(duì)應(yīng)的磁化曲線上磁感從高到低依次為0.30mm，0.35mm，0.27mm。這與輸出轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律恰好相反，即材料的磁感越高，裝機(jī)后的電機(jī)在整個(gè)速度范圍內(nèi)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩越低。

圖7 不同材料裝機(jī)后電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線

3.5 不同材料裝機(jī)后的電機(jī)鐵損對(duì)比

旋轉(zhuǎn)電機(jī)中除了有交變磁化條件下的鐵耗之外，還有旋轉(zhuǎn)磁化條件下的鐵耗(比如定子軛部)，不僅如此，變頻器輸出中的諧波分量還將在電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵芯中產(chǎn)生附加鐵耗，這些都是電機(jī)損耗的主要組成部分[6]。圖8給出了不同厚度材料裝機(jī)后電機(jī)的鐵損曲線，從圖8可以看出，材料厚度越薄，裝機(jī)后電機(jī)的鐵損也越高，不同材料裝機(jī)后電機(jī)的鐵損差距隨著轉(zhuǎn)速的提高呈明顯擴(kuò)大趨勢(shì)。

圖8 不同厚度材料裝機(jī)后電機(jī)的鐵損曲線

3.6 不同材料裝機(jī)后的電機(jī)效率對(duì)比

圖9 不同厚度材料裝機(jī)后電機(jī)的效率曲線

圖9是不同厚度材料裝機(jī)后電機(jī)的效率曲線，可以看出材料越薄，裝機(jī)后電機(jī)的效率越高，尤其是在高轉(zhuǎn)速區(qū)這一趨勢(shì)更為明顯。電機(jī)輸出功率Pout由輸入功率Pin、及鐵損Piron、銅損Pcu、機(jī)械損耗Pmech計(jì)算得出[5]

電機(jī)效率由輸出功率Pout除以輸入電能Pin給出

圖10是不同厚度材料裝機(jī)后電機(jī)的鐵損+銅損，由圖可以看出:在低轉(zhuǎn)速區(qū)由于相電流最大，所以轉(zhuǎn)速提高，鐵損+銅損之和提高，高轉(zhuǎn)速區(qū)相電流逐漸降低，銅損大幅降低，所以鐵損+銅損之和大幅降低。并且材料越薄，高轉(zhuǎn)速下的鐵損和銅損越低，因此可以明確假設(shè)機(jī)械損耗和輸入功率一定時(shí)，用薄規(guī)格料裝機(jī)后電機(jī)的效率也越高。

圖10 不同厚度材料裝機(jī)后電機(jī)的鐵損+銅損曲線

3.7 不同材料裝機(jī)后的電機(jī)直軸/交軸電流與電感對(duì)比

在同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)中，三相定子電流被轉(zhuǎn)換到了轉(zhuǎn)子dq軸上。為了達(dá)到最大輸出力矩或最高效率的目的，dq軸電流必須按照一定的規(guī)律來(lái)控制。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，一般采用最大力矩電流比的控制方式。對(duì)于本文中的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，由于Ld

圖11 不同厚度材料裝機(jī)后電機(jī)的直軸/交軸電流曲線

圖12是不同厚度材料裝機(jī)后電機(jī)的直軸/交軸電感曲線，可以看出,直軸電感明顯低于交軸電感，在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，直軸電感和交軸電感均保持一定，而在恒功率區(qū)和功率下降區(qū)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，直軸電感逐漸下降，而交軸電感不斷上升，0.27mm厚材料盡管低場(chǎng)下磁感略低，但總體上磁感越高，相應(yīng)的電感也越高。

圖12 不同厚度材料裝機(jī)后電機(jī)的直軸/交軸電感曲線(峰值工況)

3.8 不同材料裝機(jī)后的電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)與鐵損阻抗對(duì)比

圖13是3種材料裝機(jī)后空載時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)圖，可以看出,0.35mm和0.30mm 材料空載時(shí)的三相反電動(dòng)勢(shì)相近,0.27mm材料空載時(shí)的三相反電動(dòng)勢(shì)稍低，材料厚度對(duì)空載反電動(dòng)勢(shì)影響不明顯。

圖13 不同材料裝機(jī)空載時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)曲線圖

鐵損阻抗可由下式計(jì)算得出：

Rc為鐵損阻抗，V0為不同速度下的反電動(dòng)勢(shì)(EMF)，Pi為對(duì)應(yīng)的鐵損。

圖14是3種材料裝機(jī)空載時(shí)的鐵損阻抗圖，可以看出0.35mm材料空載時(shí)的鐵損阻抗最低，而0.30mm材料空載時(shí)的鐵損阻抗最高。

圖14 不同材料裝機(jī)空載時(shí)的鐵損阻抗圖

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)上述不同厚度材料無(wú)取向硅鋼環(huán)樣磁性能進(jìn)行IPMSM電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)與性能模擬基本明確：

(1)材料磁感越高,會(huì)產(chǎn)生以下變化：

a.直軸氣隙磁通量尤其是在高轉(zhuǎn)速弱磁控制區(qū)氣隙磁通量越低，交軸氣隙磁通量尤其是在低轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)氣隙磁通量越高；

b.電機(jī)的轉(zhuǎn)矩越高，材料的磁感對(duì)低轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)的相電流無(wú)明顯影響，但在高轉(zhuǎn)速弱磁控制區(qū)，材料的磁感越低，相電流也越低；在低轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)材料的磁感越高，電機(jī)的單位電流轉(zhuǎn)矩越高，但對(duì)高轉(zhuǎn)速弱磁控制區(qū)的單位電流轉(zhuǎn)矩?zé)o明顯影響；

c.電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩越低，直軸電流尤其在低轉(zhuǎn)速恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)電流越高，而對(duì)交軸電流影響不大；在整個(gè)速度范圍內(nèi)，材料的磁感越高對(duì)應(yīng)的電機(jī)電感也越高。

(2)材料鐵損越低，裝機(jī)后電機(jī)的總鐵損也越低，電機(jī)效率也越高，尤其是在高轉(zhuǎn)速區(qū)效率優(yōu)勢(shì)更為明顯。

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(責(zé)任編輯：李文英)

Effect of Non-oriented Silicon Steel With Different Thickness on Properties of Electric Motor for EV

SHI Wenmin1，2LIU Jing2FENG Dajun1CAO Haidong3

( 1.National Research and Engineering center for silicon steel，Wuhan 430080;2.WuHan University of Science and Technology， Wuhan 430081;3.ShangHai University，ShangHai，200072)

The IPSPM featuring high efficiency and high power density is becoming the major selection for EV motor with the rapid development of EV. In this paper，the magnetization curve and iron loss curve of three kinds of non oriented silicon steel were described. The critical parameters, such as inductance，back electromotive force，efficiency，torque，iron loss of motor，circuit, were calculated and estimated by the Ansoft software(finite element method).The results show that the loading torque and inductance increase with the increase of the magnetic induction，but the ripple torque decreases. With the decrease of iron loss of the material，the iron loss of the motor decreases，and the efficiency is higher especially in the high-speed zone.

IPSPM； non oriented silicon steels； finite element method； efficiency； torque； iron loss

2015-02-03

2015-05-20

石文敏(1982～)，男，碩士，工程師.E-mail:shi19820815@163.com

TM275

A

1671-3524(2015)02-0007-06