宋守許, 許 可, 王文哲, 朱標(biāo)龍

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2. 合肥工業(yè)大學(xué) 新能源汽車研究院，安徽 合肥 230009)

基于轉(zhuǎn)子再設(shè)計的電動汽車永磁同步電機(jī)再制造研究

宋守許1, 許 可1, 王文哲1, 朱標(biāo)龍2

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2. 合肥工業(yè)大學(xué) 新能源汽車研究院，安徽 合肥 230009)

隨著電動汽車的發(fā)展，淘汰替換的舊電機(jī)越來越多，對舊電機(jī)的再制造研究也越發(fā)必要。通過對轉(zhuǎn)子外圓優(yōu)化以減小飽和磁密面積和優(yōu)化氣隙結(jié)構(gòu)來提升電機(jī)性能，分析了不同偏心圓對電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響規(guī)律，對比了舊電機(jī)和再制造電機(jī)的性能變化，研究了不同倒角圓對電機(jī)磁密諧波和齒槽轉(zhuǎn)矩的影響趨勢。結(jié)果表明電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩隨著偏心圓的增大先增大后減小,不同倒角圓對再制造電機(jī)諧波影響較小;在額定情況下，再制造電機(jī)偏心圓為36 mm、倒角圓為4 mm時，再制造電機(jī)鐵心損耗下降6.55 W/kg，再制造電機(jī)效率提高0.05%，輸出轉(zhuǎn)矩收縮4%，再制造電機(jī)在減小損耗提高效率的同時減小了輸出轉(zhuǎn)矩。

電動汽車; 永磁同步電機(jī); 再制造; 轉(zhuǎn)子再設(shè)計; 偏心圓

0 引 言

我國新能源汽車發(fā)展迅猛，以永磁同步電機(jī)為代表的新能源汽車市場占有率已達(dá)90%[1]。根據(jù)電動汽車平均使用壽命或換代周期,預(yù)計到2020年，永磁同步電機(jī)報廢量將達(dá)到20萬臺，因此永磁同步電機(jī)再制造是急需解決的問題。電機(jī)再制造是在原電機(jī)的基礎(chǔ)上將低效廢舊電機(jī)通過重新設(shè)計、更換部分部件或更換繞組等技術(shù)制造成高效電機(jī)或者適用于特定場合的節(jié)能電機(jī)。

永磁同步電機(jī)具有高效率、高轉(zhuǎn)速、高功率密度、高可靠性的特點，被廣泛應(yīng)用于電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)。目前對永磁同步電機(jī)再制造研究鮮有文獻(xiàn),一些學(xué)者只對其他類型電機(jī)的再制造進(jìn)行了研究。如M.Hasanuzzaman等[2]研究結(jié)果表明對大功率的電機(jī)和高效率的電機(jī)進(jìn)行繞組重繞具有可行性,SahilSahni等[3]研究了繞組重繞過程對電機(jī)效率的影響,施小豹等[4]對定子繞組絕緣和繞組設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)提高了再制造電機(jī)的性能,劉憬奇等[5]將水泵電機(jī)的定子改為新設(shè)計的高效定子鐵心實現(xiàn)了較好的節(jié)能效果,閆曉玲等[6]研究基于最小波包shannon熵的再制造轉(zhuǎn)子缺陷診斷技術(shù),W.Fei等[7]通過在籠型感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子插入永磁體再制造成異步起動永磁電機(jī)提高了電機(jī)效率,Isabelle Hofman等[8]通過替換轉(zhuǎn)子將表貼式感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)化成永磁同步電機(jī)提升電機(jī)效率,Ni R等[9]研究了籠型感應(yīng)電機(jī)再制造成無阻尼線圈的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)?？梢娔壳皩﹄姍C(jī)的再制造主要集中于非永磁電機(jī),缺乏對永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)再設(shè)計的性能提升研究。

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子是由0.35 mm硅鋼片疊加而成,轉(zhuǎn)子鐵心損耗占總損耗比重較小,但轉(zhuǎn)子外圓形狀對電機(jī)性能影響較大,轉(zhuǎn)子外圓形狀的變化會改變氣隙的大小和均勻性，間接改變電機(jī)性能,如徐衍亮[10]、余和青[11]、仇志堅[12]等研究了非均勻氣隙對電機(jī)性能的影響,不同程度地改善了電機(jī)性能。本文提出電機(jī)定子、機(jī)殼等繼續(xù)使用,對轉(zhuǎn)子外圓進(jìn)行重新設(shè)計的再制造方法。結(jié)合有限元仿真分析研究了轉(zhuǎn)子外圓形狀對電機(jī)性能的影響。

本文以某公司第四代風(fēng)冷電機(jī)為再制造研究對象,借助于Ansoft Maxwell軟件分析再制造前后電機(jī)各方面的性能變化。

1 永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子再制造

1. 1 電機(jī)參數(shù)

選擇使用多年的內(nèi)置式車用永磁同步電機(jī)為研究對象。原電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 永磁同步電機(jī)參數(shù)

永磁電機(jī)二維幾何模型如圖1所示。定子外徑D=210 mm,內(nèi)徑Di=136 mm;轉(zhuǎn)子外徑d=134.6 mm,軸向長度L=110 mm。

圖1 電機(jī)二維模型

1. 2 轉(zhuǎn)子再設(shè)計方法

提升電機(jī)綜合性能是電機(jī)再制造的目的,電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩、鐵心損耗等與磁密有密不可分的聯(lián)系。如圖2(a)所示為舊電機(jī)0.001 s的磁密云圖,永磁體靠近氣隙處磁密較大,說明此處磁路較多,損耗嚴(yán)重。因此本文提出優(yōu)化轉(zhuǎn)子外圓減小飽和磁密面積和優(yōu)化氣隙磁密以改善電機(jī)性能。以o1為圓心,以R1為半徑畫圓,與半徑方向相交于o2、o3、o4點,分別以o2～o4為圓心畫圓并使其與轉(zhuǎn)子外圓相切,再以r為半徑做倒角圓,即可得再設(shè)計轉(zhuǎn)子模型如圖2(b)所示?？紤]到轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度的可行性和高速運行的安全性,R1不宜過大。

圖2 轉(zhuǎn)子再設(shè)計

2 永磁電機(jī)空載性能分析

永磁同步電機(jī)在空載情況下,永磁體為激勵源?？蛰d狀態(tài)仿真的作用是能夠證明電機(jī)磁路狀態(tài)的好壞?；谏鲜鏊O(shè)計的轉(zhuǎn)子和原電機(jī)模型通過有限元仿真能夠得到電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩、空載反電勢、鐵心損耗等。

2. 1 偏心圓對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響

齒槽轉(zhuǎn)矩是繞組不通電時永磁體和電樞齒槽之間相互作用力的切向分量引起的磁阻轉(zhuǎn)矩。相對于氣隙均勻的情況,轉(zhuǎn)子外圓的優(yōu)化會導(dǎo)致氣隙變化影響齒槽轉(zhuǎn)矩的大小和分布[13]。當(dāng)槽數(shù)和極數(shù)之間不滿足z=2kp(k=1,2,3,…,)時,若不存在轉(zhuǎn)子偏心,則只有滿足mz=2kp的諧波對齒槽轉(zhuǎn)矩有影響;若存在轉(zhuǎn)子偏心,則除了滿足mz=2kp的諧波對齒槽轉(zhuǎn)矩有影響外,滿足mz=2kp±i(i=1,2,3,…,)的諧波對齒槽轉(zhuǎn)矩也有影響。2kp次諧波隨偏心度變化很小,而2kp±i次諧波由不偏心時的為零而隨著偏心度的增大而增大,增大的程度取決于mz=2kp和mz=2kp±i諧波在齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生中的作用。若前者作用大,則齒槽轉(zhuǎn)矩增加較少;若后者作用較大,則齒槽轉(zhuǎn)矩增加幅度較大。

齒槽轉(zhuǎn)矩會引起電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的波動,導(dǎo)致電機(jī)的振動和噪聲[14],影響系統(tǒng)的控制精度。本文在不改變原電機(jī)其他部件的情況下通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子外圓形狀的方式改善齒槽轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)子偏心距R1由0 mm到36 mm不等間距做輔助圓,如圖2(b)所示,轉(zhuǎn)子其他尺寸不變,通過有限元分析得到偏心距R1與齒槽轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖3所示。由圖3(a)可知最大齒槽轉(zhuǎn)矩隨偏心距先增大后減小,在約20 mm出現(xiàn)最大值,在約36 mm和原電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩相當(dāng);由圖3(b)可知優(yōu)化之后齒槽轉(zhuǎn)矩波形得到明顯改善?；邶X槽轉(zhuǎn)矩的分析結(jié)果，以R1=36 mm作為再制造研究對象。

圖3 齒槽轉(zhuǎn)矩

2. 2 空載反電勢分析

永磁同步電機(jī)空載電勢是非常重要的參數(shù),其大小不僅決定電機(jī)運行是處于增磁狀態(tài)還是去磁狀態(tài),而且其大小和諧波含量對系統(tǒng)調(diào)速性能、過載能力、熱能力等有很大影響。反電勢是由永磁體產(chǎn)生的空載基波磁通在電樞繞組感應(yīng)產(chǎn)生。通過對6 000 r/min電機(jī)空載場分析可知優(yōu)化前后電勢的變化情況及諧波變化。由圖4可得再制造電機(jī)空載電勢基波幅值是原電機(jī)的98%,通過計算可得再制造電機(jī)電動勢波形畸變率為6.83%,原電機(jī)電動勢波形畸變率為9.48%。

圖4 電動勢諧波分析

2. 3 空載鐵心損耗

基于所建立的有限元模型,通過參數(shù)化掃描可得不同轉(zhuǎn)速下的空載損耗的平均值,如圖5所示。隨著轉(zhuǎn)速的增加,空載鐵耗同時急劇增大,兩者趨勢相當(dāng),而再制造電機(jī)空載損耗比原電機(jī)稍大。

圖5 空載鐵心損耗對比

綜上所述可知:與原電機(jī)相比,再制造電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形得到改善;空載電勢減小2%,波形畸變率下降2.65%;而空載損耗方面,由于轉(zhuǎn)子外圓優(yōu)化改變原有磁路結(jié)構(gòu),導(dǎo)致再制造電機(jī)空載損耗稍大。

3 負(fù)載工況

3. 1 電機(jī)鐵心磁密分布

鐵心損耗的分析是車用電機(jī)研究的難點。鐵心損耗與磁密密切相關(guān),對電機(jī)各種性能影響巨大。為了更好地對轉(zhuǎn)子再制造進(jìn)行研究,需先用Ansoft軟件對工作在負(fù)載工況的電機(jī)進(jìn)行電磁分析,分析不同位置的旋轉(zhuǎn)磁化、局部磁滯回線等。

在功率13 kW,轉(zhuǎn)速3 000 r/min的額定負(fù)載工況下,對原電機(jī)和再制造電機(jī)八分之一模型進(jìn)行有限元分析,由瞬態(tài)分析得電機(jī)1.5 ms時刻的磁密分布云圖如圖6(a)、圖6(b)所示。從磁密分布圖可得磁密云圖幾乎成對稱分布且云圖分布規(guī)律相似;從圖6(a)、圖6(b)對比可以看出在轉(zhuǎn)子凹陷處原電機(jī)暖色區(qū)域比再制造面積大,但顏色深度要小些;在軛部原電機(jī)藍(lán)色區(qū)域面積比再制造電機(jī)小;在各個齒部處原電機(jī)磁密要比再制造電機(jī)大;轉(zhuǎn)子內(nèi)部區(qū)域磁密要比原電機(jī)小。

以兩個圓弧作為路徑可得原電機(jī)軛部和齒部最大磁密分別為1.477 T、1.712 T;再制造電機(jī)軛部和齒部最大磁密分別為1.436 T、1.645 T,由此可知再制造電機(jī)磁密最大值有所下降。根據(jù)鐵心損耗與磁通密度B的關(guān)系可初步判斷再制造電機(jī)損耗比原電機(jī)損耗小。

圖6 額定工況下1.5 ms磁密云圖分布

為進(jìn)一步分析不同位置磁密的變化規(guī)律,對電機(jī)一個電周期進(jìn)行分析,將一個周期分為200等分。根據(jù)已有研究成果,在定子關(guān)鍵位置畫弧線,對弧線進(jìn)行經(jīng)切向分析即可。圖7和圖8為定子關(guān)鍵位置點，如圖7A、B、C、D周期性磁密情況。從圖7可以看出各點磁密的周期性走勢幾乎相同,波形波動情況稍微有所差別;在C點、D點磁密的切向幅值有所減小,徑向幅值有所增大;旋轉(zhuǎn)磁化主要發(fā)生在齒頂和齒根位置,軛部次之,齒頂處磁密相對較大且齒頂處磁疇在一個周期有多次擺動;在A點再制造電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁化要比原電機(jī)嚴(yán)重。齒中幾乎不存在切向磁密和旋轉(zhuǎn)磁化,可認(rèn)為齒中只有交變磁化。由磁密云圖、典型位置點磁密分布波形以及各點旋轉(zhuǎn)磁化(見圖8)情況,可知轉(zhuǎn)子外圓的變化基本不改變磁密的分布規(guī)律,但對其磁密分布值的大小影響較大。

圖7 負(fù)載工況下定子典型位置點磁密波形

圖8 各點旋轉(zhuǎn)磁化

圖9和圖10表示定子鐵心不同位置經(jīng)切向磁密諧波情況,限于篇幅僅給出A點D點磁密諧波圖。橫坐標(biāo)表示諧波次數(shù),縱坐標(biāo)表示經(jīng)切向磁密振幅,基波頻率為200 Hz。

對磁密諧波圖進(jìn)行分析,鐵心磁密諧波主要以3、5、7、9次奇諧波為主。軛部處磁密諧波較小,齒根次之;齒中徑向磁密和齒頂磁密諧波較為豐富,尤其齒頂處諧波不僅豐富而且諧波幅值相對較大。對比兩款電機(jī)可知再制造電機(jī)諧波變大,其中諧波以3次諧波增大為主,5、7次諧波基本不變,甚至有所減小;基波相對變小,但是齒根和軛部徑向磁密增大：其中齒頂處基波變化幅度較小,齒根和軛部基波變化幅度較大。

圖9 定子齒頂處A點徑、切向磁密諧波

3. 2 負(fù)載性能分析

3. 2. 1 電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能分析

額定負(fù)載下輸出轉(zhuǎn)矩可由有限元分析得到。圖11為同工況電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,再制造電機(jī)平均輸出轉(zhuǎn)矩為40.77 N·m,原電機(jī)平均輸出轉(zhuǎn)矩為42.46 N·m,再制造后電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減小4%;再制造電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動幅度為8.31 N·m,原電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動幅15.56 N·m,波形波動幅度減小17%。

圖11 電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩

3. 2. 2 電機(jī)仿真效率計算

電機(jī)基本效率公式為

式中：P1——電機(jī)鐵心損耗;P2——電機(jī)銅耗;P3——電機(jī)輸出功率。

圖12 電機(jī)額定情況下鐵心損耗

從圖12可知在鐵心損耗曲線穩(wěn)定之后平均值p10=215.00 W/kg,p11=208.45 W/kg。定子每相繞組R為20 mΩ,由于兩款電機(jī)繞組相同、基本參數(shù)相同,因此得電機(jī)銅損耗P3=138.24,由式(1)可得原電機(jī)效率為97.35%,再制造電機(jī)效率為97.40%,效率提升0.05%。

對上述電機(jī)空載性能對比分析,知齒槽轉(zhuǎn)矩大小不變,波形得到改善,可知轉(zhuǎn)子再制造具有一定的可行性。對電機(jī)負(fù)載性能進(jìn)行分析,再制造電機(jī)鐵耗下降6.55 W/kg,效率提高0.05%,電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動程度降低,輸出平穩(wěn)性改善。由于再制造電機(jī)磁密飽和程度低,導(dǎo)致再制造電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降4%。

3. 3 倒角圓對電機(jī)性能的影響

在傳統(tǒng)的電機(jī)設(shè)計中,磁密飽和程度低時,應(yīng)適當(dāng)增加磁場的磁通量。再制造電機(jī)受定子和機(jī)殼等影響,無法改變定子槽型面、定子齒形狀等,而增大電流會導(dǎo)致銅耗的增加,不利于電機(jī)性能的改善。由于受轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度的影響,偏心圓無法進(jìn)一步增大，而轉(zhuǎn)子優(yōu)化處的深度大小直接影響電機(jī)氣隙的寬度和均勻性,因此需要進(jìn)一步研究倒角圓對電機(jī)性能的影響。

在上述R1=36 mm、倒角圓r=4 mm的基礎(chǔ)上分別對倒角圓2 mm、6 mm等進(jìn)一步性能分析,限于篇幅,不再給出齒槽轉(zhuǎn)矩、鐵心損耗等圖。從仿真結(jié)果可以看出空載齒槽轉(zhuǎn)矩隨著倒角圓的增大先減小后增大,在約4 mm減為最小,但是相互之間差值較小;倒角圓大小對鐵心損耗和輸出轉(zhuǎn)矩的平均值影響較小,但是對輸出轉(zhuǎn)矩和損耗平穩(wěn)性影響較大;倒角圓對磁密波形畸變率影響較小,但是相對原電機(jī)波形畸變率影響較大，如表2所示。

表2 波形畸變率

注： 36-4表示偏心圓半徑為36 mm，倒角圓為2 mm；齒槽轉(zhuǎn)矩為峰值減去谷值。

4 結(jié) 語

(1) 提出永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子再設(shè)計方法,通過對轉(zhuǎn)子外圓做偏心處理,優(yōu)化轉(zhuǎn)子外圓結(jié)構(gòu)，減小飽和磁密面積,實現(xiàn)了再制造電機(jī)性能改善,并以某公司第四代風(fēng)冷電機(jī)為例，仿真驗證了該方法的可行性。

(2) 再制造電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波形得到改善,齒槽轉(zhuǎn)矩隨偏心圓先增大后減小,在36 mm時齒槽轉(zhuǎn)矩大小和原電機(jī)相當(dāng),但齒槽轉(zhuǎn)矩波形得到明顯改善,波形的改善對減小電機(jī)運行中振動噪聲有很好的優(yōu)越性。

(3) 對電機(jī)空載電勢分析得出再制造電機(jī)空載電動勢幅值為原電機(jī)的98%,電動勢波形畸變率下降了2.65%,而空載損耗比原電機(jī)稍大。

(4) 基于空載情況分析結(jié)果,對偏心36 mm電機(jī)做負(fù)載工況分析,結(jié)果表明再制造電機(jī)鐵心損耗減小3.14%,效率提高0.05%,轉(zhuǎn)矩收縮4%。說明對轉(zhuǎn)子外圓優(yōu)化可降低鐵心損耗,但因其磁密飽和程度降低,導(dǎo)致其輸出轉(zhuǎn)矩略有下降。

(5) 在保證齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化的情況下,對偏心36 mm電機(jī)做進(jìn)一步分析。基于不同倒角圓可得出倒角圓對電機(jī)性能影響較小,齒槽轉(zhuǎn)矩隨倒角圓先減小后增大,在約4 mm最小,而齒槽轉(zhuǎn)矩之間差值很小;磁密諧波總體增大,不同倒角圓之間諧波變化較小;倒角圓對電機(jī)效率、鐵心損耗影響幾乎為零。

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Remanufacturing of Permanent Magnet Synchronous Motor for Electric Vehicle Based on Rotor Redesign

SONG Shouxu1, XU Ke1, WANG Wenzhe1, ZHU Biaolong2

(1. School of Mechanical Engineering,Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;2. Clean Energy Automotive Research Institute, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

With the development of electric vehicle, there were more and more old motor which would be replaced and obsoleted, it was also necessary to study the remanufacturing of the old motor. In order to improve the performance of the motor, the optimization of the outer circle of the rotor was used to reduce the saturation magnetic density area and optimize the air gap structure. How different eccentric circle effect on cogging torque was analyzed, the changes of performance of the old motor and the remanufacturing motor were compared. The magnetic flux density of motor harmonic and cogging torque trend with the different of chamfering circle was researched. The result showed that the cogging torque increased first and then decreased with eccentric circle increasing, chamfering circle had little influence on harmonic. Under the rated conditions, when the eccentric circle of remanufacturing motor was 36 mm and the chamfering circle was 4 mm, core loss of remanufacturing motor decreased by 6.55 W/kg, efficiency increased by 0.05% and output torque was reduced by 4%. The remanufacturing motor was made to reduce the loss and increase the efficiency, the output torque was reduced.

electric vehicle; permanent magnet synchronous motor (PMSM); remanufacturing; rotor redesign; eccentric circle

國家自然科學(xué)基金項目(5157050931)

宋守許(1964—),男,博士研究生,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向為綠色設(shè)計與綠色制造、再制造工程、產(chǎn)品再資源化。 許 可(1991—),男,碩士研究生,研究方向為廢舊機(jī)電產(chǎn)品回收和再利用。 王文哲(1993—),男,碩士研究生,研究方向為綠色設(shè)計與綠色制造。 朱標(biāo)龍(1991—),男,碩士研究生,研究方向為車用電機(jī)損耗與溫度場研究。

TM 351

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1673-6540(2017)07- 0122- 07

2016 -11 -21