黃國坪

(廈門金龍汽車新能源科技有限公司, 福建 廈門 361023)

本文根據(jù)某款7 m純電動(dòng)客車的整車參數(shù)及性能要求計(jì)算驅(qū)動(dòng)橋電機(jī)的主要參數(shù),然后進(jìn)行永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì),包括電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和性能參數(shù),并進(jìn)行轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)

1.1 整車基本參數(shù)

某款7 m純電動(dòng)客車動(dòng)力系統(tǒng)采用整體式橋殼電驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)。電機(jī)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)橋主減速器,降低了輸出轉(zhuǎn)速,提高了輸出轉(zhuǎn)矩,降低了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出電流,從而降低了電機(jī)及控制器的體積、重量和成本[1]。整車基本參數(shù)如下:整備質(zhì)量m為5 850 kg,滿載質(zhì)量M為9 500 kg,迎風(fēng)面積A為5 m2,風(fēng)阻系數(shù)CD為0.55,輪胎滾動(dòng)半徑r為0.372 m,滾動(dòng)阻力系數(shù)f為0.011,減速比i為13.35,旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)δ取1.07,傳動(dòng)效率ηT為0.9,電池標(biāo)稱直流電壓Udc為540 V,最高車速umax為105 km/h,常規(guī)車速u0為40 km/h,最大爬坡度為18%,即坡度角α為10.2°(爬坡車速um≥10 km/h),加速時(shí)間t≤18 s(0～50 km/h,即加速時(shí)間要求的車速ua=13.89 m/s)。

1.2 永磁同步電機(jī)參數(shù)計(jì)算

電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n0、最高轉(zhuǎn)速nmax、額定功率P0、額定轉(zhuǎn)矩T0、峰值功率Pmax、峰值轉(zhuǎn)矩Tmax可根據(jù)式(1)～(6)進(jìn)行計(jì)算[2-4]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:um為最大爬坡度要求的車速,km/h。

2 電機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 基本尺寸計(jì)算

根據(jù)新能源汽車對(duì)電機(jī)尺寸和轉(zhuǎn)速的要求,兼顧低速區(qū)和高速區(qū)的效率,本文設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)的定子外徑D1為29 cm,電機(jī)的極槽數(shù)為8極48槽,定子繞組采用Y型連接的雙層疊繞組,轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置式磁鋼結(jié)構(gòu)。其他基本尺寸可通過式(7)、式(8)進(jìn)行計(jì)算[5-7]:

Di1=KDD1=0.645×29≈18.7(cm)

(7)

(8)

式中:KD為定子裂比;Bδ為氣隙磁密基波幅值,T;lef為電樞計(jì)算長(zhǎng)度,cm;Di1為定子內(nèi)徑,cm;A為電負(fù)荷,A/cm。

根據(jù)式(7)、式(8)計(jì)算電機(jī)的主要尺寸,得到定子內(nèi)徑Di1為18.7 cm,電樞計(jì)算長(zhǎng)度lef為12 cm(即定子、轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度均為12 cm)。

2.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝有永磁磁極,轉(zhuǎn)子是永磁同步電機(jī)的核心部件,其結(jié)構(gòu)影響著整個(gè)電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)[8]。本文轉(zhuǎn)子采用分段結(jié)構(gòu),段數(shù)為4,疊加起來可以降低渦流損耗[9]。其永磁體的形狀、大小、位置與電機(jī)性能密切相關(guān),通過式(9)可以粗略估算永磁體的面積[10]。

(9)

式中:Sm為永磁體的面積,cm2;σ0為空載漏磁系數(shù);Sδ為每極氣隙的面積,cm2;Br′為0.65～0.85的剩磁密度,T。

在保持永磁體材料基本一致的條件下,對(duì)轉(zhuǎn)子V型結(jié)構(gòu)和雙V結(jié)構(gòu)方案的尺寸進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和選擇,最終得到兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案的參數(shù)(見表1)。

表1 兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案參數(shù)

3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能仿真分析

3.1 空載磁密仿真分析

通過對(duì)永磁同步電機(jī)空載磁密進(jìn)行仿真分析,可以判斷電機(jī)的磁路狀態(tài)設(shè)計(jì)是否合理。根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù),電機(jī)的仿真結(jié)果如下:圖1所示的V型結(jié)構(gòu)方案的定子齒部磁密約為1.25 T,在槽開口附近的磁密峰值約為1.45 T;圖2所示的雙V結(jié)構(gòu)方案的定子齒部各個(gè)部位的磁密約為1.15 T。

圖1 V型結(jié)構(gòu)空載磁密云圖

圖2 雙V結(jié)構(gòu)空載磁密云圖

在高磁感應(yīng)強(qiáng)度下,鐵芯內(nèi)部會(huì)發(fā)生更多的磁滯損耗和渦流損耗,導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)化成熱量從而產(chǎn)生損耗。根據(jù)圖1和圖2的空載磁密云圖仿真結(jié)果可知,采用雙V結(jié)構(gòu)方案的電機(jī)齒部磁密小于V型結(jié)構(gòu)的齒部磁密,可以避免齒部磁密過飽和導(dǎo)致鐵芯損耗增大,提高硅鋼材料的利用率。電機(jī)鐵芯損耗功率可通過式(10)進(jìn)行計(jì)算[11]:

PFe=khfvBm2+kc(fvBm)2+ke(fvBm)1.5

(10)

式中:PFe為鐵芯損耗功率,kW;kh為磁滯損耗系數(shù);kc為渦流損耗系數(shù);ke為附加損耗系數(shù);fv為電機(jī)頻率,Hz;Bm為磁通密度幅值,T。

3.2 空載反電動(dòng)勢(shì)仿真分析

空載反電動(dòng)勢(shì)是永磁同步電機(jī)一個(gè)非常重要的參數(shù),決定著電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行區(qū)間上的效率分布、輸出轉(zhuǎn)矩、損耗、電流等輸出特性[12]。電機(jī)在20 ℃磁鋼溫度下的仿真結(jié)果如下:V型結(jié)構(gòu)方案在10 000 r/min時(shí)的空載反電動(dòng)勢(shì)有效值為829 V,折算到直流母線側(cè)的反電動(dòng)勢(shì)峰值高達(dá)1 172 V,而控制器模塊的耐壓峰值為1 200 V,需要將反電動(dòng)勢(shì)設(shè)計(jì)得更小一些,以保證控制器的安全性能。反電動(dòng)勢(shì)與永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)和尺寸有關(guān):雙V結(jié)構(gòu)方案在10 000 r/min時(shí)的空載反電動(dòng)勢(shì)有效值為586 V,折算到直流母線側(cè)的反電動(dòng)勢(shì)峰值為829 V,較大幅度降低了反電動(dòng)勢(shì),小于控制器的使用安全耐壓峰值1 050 V。圖3為V型結(jié)構(gòu)和雙V結(jié)構(gòu)的空載反電動(dòng)勢(shì)對(duì)比。

圖3 空載反電動(dòng)勢(shì)對(duì)比

3.3 齒槽轉(zhuǎn)矩仿真分析

齒槽轉(zhuǎn)矩即沒有供電的永磁電動(dòng)機(jī)因其轉(zhuǎn)子和定子有自行調(diào)整至磁阻最小位置的趨勢(shì)而產(chǎn)生的周期性轉(zhuǎn)矩。故在電機(jī)運(yùn)行過程中勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),從而使永磁電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。電機(jī)在20 ℃磁鋼溫度下的仿真結(jié)果如下:V型結(jié)構(gòu)方案的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值為7.64 N·m,可以將齒槽轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)得更小一些。齒槽轉(zhuǎn)矩與永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)和尺寸有關(guān):雙V結(jié)構(gòu)方案的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值為1.58 N·m,齒槽轉(zhuǎn)矩降低幅度較大,從而降低了齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),減小了電機(jī)的振動(dòng)噪聲,提高了電機(jī)定位的控制精度[13]。圖4為V型結(jié)構(gòu)和雙V結(jié)構(gòu)的齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比。

圖4 齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)比

3.4 外特性仿真分析

設(shè)置相同的電壓電流限值,不同方案轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩和峰值功率外特性對(duì)比情況如圖5所示。V型結(jié)構(gòu)方案的峰值轉(zhuǎn)矩為550 N·m,峰值功率為160 kW,最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的功率為120 kW;雙V結(jié)構(gòu)方案的峰值轉(zhuǎn)矩為550 N·m,峰值功率為190 kW,最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的功率為142 kW。

圖5 電機(jī)外特性仿真對(duì)比

由圖5可知,采用雙V結(jié)構(gòu)方案的電機(jī),因其反電動(dòng)勢(shì)較低且直軸電感較小,在高速時(shí)的功率外特性保持較高,調(diào)速性能較強(qiáng),因此雙V結(jié)構(gòu)電機(jī)的功率外特性更優(yōu)[14]。

3.5 效率仿真分析

電機(jī)效率MAP圖將效率相同的點(diǎn)連成環(huán)線直接投影到平面形成水平曲線,不同效率的環(huán)線不會(huì)相交,可在一定程度上反映電機(jī)在不同轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速下其運(yùn)行效率的分布情況,在電動(dòng)汽車電機(jī)效率的評(píng)估測(cè)試方面扮演著重要角色。

采用最大轉(zhuǎn)矩電流的控制策略,在額定轉(zhuǎn)速(電機(jī)最大恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行的轉(zhuǎn)折速度)以下時(shí),通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)對(duì)定子電流的幅值、相角以及轉(zhuǎn)速進(jìn)行參數(shù)化掃描,模擬不同轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩下的工況;在額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)保持輸入電流幅值不變,通過改變電流功角模擬不同直軸去磁電流,以逆變器的最高輸入電壓為約束條件,以此獲得電機(jī)在弱磁工作區(qū)域的輸出特性。得到電機(jī)在其運(yùn)行區(qū)域大部分輸出及損耗數(shù)據(jù)后,可計(jì)算出電機(jī)不同工作狀態(tài)下的效率[15]。在額定電壓下,兩種結(jié)構(gòu)方案的效率MAP圖分別如圖6和圖7所示,高效工作區(qū)占比詳見表2。由圖6、圖7和表2可知,雙V結(jié)構(gòu)電機(jī)的效率高效區(qū)占比明顯更優(yōu)。

圖6 V型結(jié)構(gòu)效率MAP圖

圖7 雙V結(jié)構(gòu)效率MAP圖

表2 額定電壓電機(jī)高效工作區(qū)占比

通過仿真對(duì)比分析,得知雙V結(jié)構(gòu)方案的電機(jī)性能更優(yōu)。

4 樣機(jī)測(cè)試

分別對(duì)轉(zhuǎn)子V型結(jié)構(gòu)和雙V結(jié)構(gòu)進(jìn)行樣機(jī)試制與測(cè)試[16],電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示。

圖8 電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)

測(cè)試得到車用永磁同步電機(jī)調(diào)速工作性能,其電機(jī)測(cè)試外特性對(duì)比如圖9所示,試驗(yàn)測(cè)定的外特性曲線符合設(shè)計(jì)要求。電機(jī)測(cè)試效率MAP圖如圖10和圖11所示,V型結(jié)構(gòu)電機(jī)的效率不低于90%占總工作區(qū)的百分比為81.2%,雙V結(jié)構(gòu)電機(jī)的效率不低于90%占總工作區(qū)的百分比為84.3%?？梢钥闯?有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,雙V結(jié)構(gòu)電機(jī)在電機(jī)外特性與效率方面明顯優(yōu)于V型結(jié)構(gòu)電機(jī)[17]。

圖9 電機(jī)測(cè)試外特性對(duì)比

圖10 V型結(jié)構(gòu)電機(jī)測(cè)試效率MAP圖

圖11 雙V結(jié)構(gòu)電機(jī)測(cè)試效率MAP圖

5 結(jié)束語

本文對(duì)7 m電動(dòng)客車的電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算及永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì);對(duì)轉(zhuǎn)子V型結(jié)構(gòu)與雙V結(jié)構(gòu)的空載磁密、空載反電動(dòng)勢(shì)、齒槽轉(zhuǎn)矩、外特性、效率進(jìn)行了仿真分析;對(duì)轉(zhuǎn)子V型結(jié)構(gòu)與雙V結(jié)構(gòu)進(jìn)行了樣機(jī)試制與測(cè)試。結(jié)果表明,相比于轉(zhuǎn)子V型結(jié)構(gòu),雙V結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)具有弱磁調(diào)速能力強(qiáng)、功率密度高、效率高效區(qū)域大等優(yōu)勢(shì)。