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(沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，遼寧沈陽 110870)

0 引言

隨著日益嚴重的環(huán)境問題，促進低碳生活和節(jié)約社會的呼聲越來越高。在過去的兩年中，一些一線城市的空氣質(zhì)量在中國并不樂觀，純電動汽車成為傳統(tǒng)燃料汽車的替代品，純電動汽車的設(shè)計與開發(fā)是其主要的戰(zhàn)略方向。

在汽車工業(yè)的研究和發(fā)展領(lǐng)域，人們致力于開發(fā)低能耗、低排放和非傳統(tǒng)的能源消費形式的交通工具。與傳統(tǒng)汽車相比，純電動汽車擁有更加靈活的傳動系統(tǒng)，傳動效率大大提升，而且沒有有害氣體排放，成為了未來汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展必然趨勢近些年來很多公司將目光投向了電動汽車的研究[1]。

輪邊直驅(qū)永磁同步電機具有效率高、功率密度大、省去變速器等很多優(yōu)點。因此，在車用電機的放置中，由于輪邊直驅(qū)電機有功率密度高等很多優(yōu)點。因此，在車用電機的放置中，由于輪邊直驅(qū)電機有功率密度高等優(yōu)點，越來越多的企業(yè)開始注重輪邊直驅(qū)電機的研究。電機的轉(zhuǎn)矩脈動是電機的一種固有特性，會引起電機運行的不平穩(wěn)，導致電機的噪音。因此，削弱電機轉(zhuǎn)矩脈動同時保證輸出轉(zhuǎn)矩有效值不變是優(yōu)化設(shè)計目標。文獻[2]采用不均勻氣隙來改善電機性能。文獻[3]給出偏心距與定子內(nèi)徑、最小氣隙、最大氣隙、磁極跨距角之間的數(shù)學表達式。但這兩篇文章本文以一款額定功率為25kW輪邊直驅(qū)電機為例，針對電機振動噪聲偏大的原因，提出降低轉(zhuǎn)矩脈動的新方法。利用有限元軟件建立電機模型，并通過合理的定子齒頂偏心距使氣隙不均勻，降低電機轉(zhuǎn)矩脈動以及損耗，優(yōu)化電機氣隙磁密波形，使整體性能得到改善。

1 電機主要指標以及尺寸

本文電機的主要尺寸以及技術(shù)指標，如表1與表2所示。

表1 電機主要尺寸

表2 電機技術(shù)指標

基于Maxwell建立該電機的二維模型，建模過程假設(shè)如下

(1)采用平面二維場進行分析，忽略電機磁場的軸向變化；

(2)忽略鐵磁材料中的渦流損耗和磁滯損耗；

(3)磁場僅被限制在電機內(nèi)部，定子外部邊界認為是零矢量等位線；

(4)電樞繞組連接方式為星型連接，極槽配合為20極24槽，跨距為1。同時對電機各個部分進行剖分，使電機瞬態(tài)求解更加精確；

(5)利用自帶材料或自定義材料，給電機各部分添加材料。添加常用鐵心材料DW465，本文的磁鋼材料為釹鐵硼材料N38UH，剩磁為Br=1.23T，矯頑力為Hc=975kA/m。定子勵磁繞組采用的是銅；

(6)確定電機瞬態(tài)求解過程中各種損耗、運動部分、激勵源、邊界條件等；

(7)根據(jù)電機運行要求，確定額定運行速度、求解時間、轉(zhuǎn)矩等[4～6]； 機模型如圖1所示。

圖1 電機1/4模塊

2 不均勻氣隙

本文的采用的是正弦波驅(qū)動的永磁同步電機，將氣隙磁場波形接近于正弦，可以減小電機的轉(zhuǎn)矩脈動，提高控制系統(tǒng)精確性，使電機性能最優(yōu)。本文通過優(yōu)化齒頂形狀使氣隙不均勻來優(yōu)化氣隙磁場波形。但是偏心度不是越大越好，這樣氣隙不均勻度過大，反而會導致轉(zhuǎn)矩脈動的增加。

圖2 定子示意圖

圖3 不均勻氣隙齒頂示意圖

氣隙函數(shù)如下

(1)

(2)

(3)

式中，Dil—轉(zhuǎn)子內(nèi)徑(mm)；θ1—齒頂半跨距角，大小為6.1；D—齒頂偏心距；Rr—齒頂半徑。首先通過δmax、δmin之間的比值關(guān)系，根據(jù)式(1)和式(2)，得到偏心距D的大小,δmin=1。

2.1 不同偏心距對轉(zhuǎn)矩脈動的影響

由于電動汽車需要在啟動和爬坡的運行過程中需要電機提供較大的轉(zhuǎn)矩。此工況被稱作過載。電機在過載的情況下容易產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動。本文電動機的瞬態(tài)分析，計算峰值轉(zhuǎn)矩情況時的轉(zhuǎn)矩脈動。采用的是電流源，電樞電流有效值Ie=123A，f=133.3Hz，初相角thet=18°并且采用矢量控制 。繞組端輸入的電流如下所示

Ia=1.414×Ie×sin(2πft+thet)

(4)

Ib=1.414×Ie×sin(2πft-2π/3+thet)

(5)

Ic=1.414×Ie×sin(2πft+2π/3+thet)

(6)

圖4 不均勻氣隙對轉(zhuǎn)矩脈動的影響

圖5 不均勻氣隙對轉(zhuǎn)矩大小影響

由圖4可以得出，均勻氣隙時，轉(zhuǎn)矩脈動的幅值為40.2Nm;當偏心距D=43.7mm時,轉(zhuǎn)矩脈動幅值為25.4Nm，轉(zhuǎn)矩脈動的幅值為均勻氣隙時齒槽轉(zhuǎn)矩的63.1%，得到明顯的削弱。由圖4和圖5可知，過大的偏心距不僅使輸出轉(zhuǎn)矩明顯減小，還會引起轉(zhuǎn)矩脈動的增加。

2.2 空載氣隙磁密的優(yōu)化

根據(jù)2.1節(jié)可知氣隙不均勻時氣隙磁密的波形的得到優(yōu)化，基于Maxwell 2D軟件，對氣隙均勻與不均勻兩種情況進行有限元分析。分析0時刻，兩種情況下氣隙磁密的情況。圖6為兩種情況的磁密波形，圖7為兩種情況的磁密波形的傅里葉分解。

圖6 兩種磁密波形

由圖6可知，氣隙均勻的時候，平均氣隙磁密為0.631T。不均勻氣隙的時候，氣隙磁密平均值0.642T。由圖7可得到氣隙在均勻和不均勻時候的相關(guān)諧波幅值。

圖7 兩種情況磁密波形的傅里葉分解圖

由表3所示，均勻氣隙的波形畸變率為31%，不均勻氣隙時為26.8%: 不均勻氣隙磁密的畸變率小于均勻氣隙磁密的畸變率，說明不均勻氣隙磁密的波形更趨近于正弦波，磁密波形得到改善。

表3 兩種氣隙下磁密基波和相關(guān)次諧波值

3 電機性能優(yōu)化

3.1 空載反電勢

在電機基本尺寸、磁鋼尺寸和繞組完全相同的情況下，如圖8所示均勻氣隙下反電勢的有效值為203V。不均勻氣隙時反電勢為204V。這是由于氣隙不均勻的時候，聚磁能力更強。由表4可知，優(yōu)化后由于氣隙磁密諧波含量有所降低，因此轉(zhuǎn)子永磁體勵磁磁場切割定子繞組后產(chǎn)生的空載反電勢波形更加接近于正弦。

圖8 兩種氣隙下反電勢波形

表4 兩種氣隙反電勢基波和相關(guān)次諧波值

3.2 定子鐵耗

通過上述分析，偏心后導致磁密改變，在頻率和電機體積一定的情況下，定子鐵耗的大小和磁密的優(yōu)化程度有很大的關(guān)系。圖9為優(yōu)化前后的定子鐵耗仿真對比，從圖中可以看出，當偏心距為43.7mm時，定子鐵耗比均勻氣隙減小了70W。

圖9 兩種氣隙下定子鐵耗對比

3.3 轉(zhuǎn)子渦流損耗

由于電機的齒槽效應、繞組磁動勢的非正弦分布，在轉(zhuǎn)子內(nèi)部會產(chǎn)生渦流損耗。過大的渦流損耗會造成磁鋼退磁。因此，轉(zhuǎn)子內(nèi)的渦流損耗需要考慮[8]。

圖10 兩種氣隙下轉(zhuǎn)子渦流損耗對比

由圖10可知，不均勻氣隙下轉(zhuǎn)子渦流損耗相比于均勻氣隙的時候降低了23%，這是由于不均勻氣隙使氣隙磁密諧波含量有所降低，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的渦流損耗有所減小，這樣很大程度上降低了轉(zhuǎn)子上磁鋼退磁風險。

4 結(jié)語

本文以一臺25kW輪邊直驅(qū)電機為例，研究了通過優(yōu)化定子齒頂形狀產(chǎn)生的不均勻氣隙對電機性能影響，得到了如下結(jié)論。

(1)不均勻氣隙能夠減小電機負載運行下的轉(zhuǎn)矩脈動，使電機的振動噪聲減小。

(2)不均勻氣隙可優(yōu)化氣隙磁密以及反電勢的波形，削弱諧波，使磁密波形更接近于正弦。

(3)不均勻氣隙能夠減小定子鐵耗以及轉(zhuǎn)子渦流損耗，這樣可以很大程度上提高電機的效率，同時降低電機的溫升。