電動汽車用定子永磁型磁通記憶式游標電機性能分析*

葛葉明， 朱孝勇,， 陳 龍

(1. 江蘇大學 電氣信息工程學院，江蘇 鎮江 212013;2. 江蘇大學 汽車工程研究院，江蘇 鎮江 212013)

0 引 言

隨著全球石油資源緊張、大氣污染嚴重，電動汽車越來越受到廣泛的關注，電動汽車用驅動電機應具有高效率、高功率密度、寬調速范圍和低速大轉矩等特性。長期以來，電動汽車用電機通過配備機械變速箱實現低速和高轉矩，但是由于機械齒輪依賴齒輪的嚙合來傳遞力矩，不可避免帶來一些弊端，如摩擦損耗大、需要定期潤滑、存在振動和噪聲等。近年來，新型磁齒輪傳動技術得到了快速發展。磁齒輪特別是共軸磁性齒輪由于具有無接觸、無噪聲、無需潤滑、自動過載保護、高轉矩密度等優點越來越受到關注[1-3]。最近，通過游標結構來獲得“磁齒輪效應”的永磁游標電機引起了廣泛關注[4-7]，該電機將用于磁場調制的調制鐵心與定子齒相結合，有效降低了電機的氣隙層數，結構簡單，減少了制造的困難和成本，另外該類電機還具備低速大轉矩特性，能滿足電動汽車等直驅式應用場合的要求。

相比其他電動汽車用電機，定子永磁型電機具有高效率、高功率密度等優點[8],在永磁體散熱、轉子結構強度等方面具有一定優勢,但由于永磁材料的固有特性，電機內氣隙磁場基本保持恒定，作電動機運行時，調速范圍有限，限制了恒功率高速運行，在電動汽車等需寬調速運行場合的應用受到一定的限制[9]。定子永磁型混合勵磁電機[10-14]，引入電勵磁繞組，通過改變勵磁電流的大小和方向實現電機氣隙磁場的靈活調節與控制，能有效拓寬電機的調速范圍，但持續的勵磁電流會產生額外的勵磁繞組銅耗，使得電機在高速區的運行效率降低。為解決該問題，Vlado Ostovic教授在2001年首次提出了記憶電機即磁通可控式永磁電機[15-16]，記憶的概念主要是基于永磁電動機中所用永磁材料的特性，即材料本身的磁化程度能夠在很短的時間內通過施加充、去磁磁動勢而得到改變，且充、去磁之后其磁化程度亦能被記憶，從而達到了簡單、有效地調節電動機內磁場及氣隙磁密的目的。理論上，滿足這一要求的永磁體必須具有低矯頑力的特點，另外為得到較高的力能指標，永磁體的剩磁應盡可能大。具有低矯頑力和高剩磁密度的鋁鎳鈷永磁材料成為該新型記憶電機的首選材料之一。

本文將定子永磁型磁通記憶電機與游標結構相結合，提出了一種新型定子永磁型磁通記憶式游標(Stator Permanent Magnet Flux-Mnemonic Vernier, SPM-FMV)電機。該電機采用了可在線充、去磁的鋁鎳鈷永磁體，實現了電機磁場的調節與控制。電機高速時可采取弱磁控制，有效拓寬了調速范圍；另外，為獲得低速大轉矩性能，電機外層定子上增加了調制齒，形成具備“磁齒輪效應”的新型游標電機結構。本文討論了該電機的結構和運行原理，采用分段線性磁滯模型和有限元相結合的方法，分析了電機的電磁性能，還討論了電機的動態驅動性能。研究表明，該電機具有寬調速范圍和低速大轉矩的特性。

1 電機結構和工作原理

新型SPM-FMV電機的結構截面圖如圖1所示。該電機外轉子無繞組，也無永磁體，結構簡單，機械強度高，可用作車輛輪轂電機，減少了中間傳動環節，提高了轉矩傳遞效率。其內層定子采用分層結構，定子內層上嵌有鋁鎳鈷永磁體，永磁體之間的開槽既起到隔磁，減輕重量的作用，又能放置直流磁化繞組，對鋁鎳鈷永磁體進行在線調磁，磁場調節手段簡單、直接；外層定子采用多齒式游標結構，通過在每個定子齒外延集成3個調制齒，實現對氣隙磁場的調制，調制出相應的磁場諧波分量，實現能量和轉矩的傳遞。可見，調制齒的基本原理和同軸磁性齒輪調磁環上的調磁塊相類似[17]，通過采用調制齒和轉子齒的不同配比，能實現電機磁場按一定的比例調制和電機的變速運行。

圖1 新型SPM-FMV電機結構截面圖

與共軸磁性齒輪和永磁游標電機相似[2-5]，SPM-FMV電機滿足：

pr=Ns-ps

(1)

式中:pr——轉子極數；

Ns——調制齒的齒數；

ps——電樞繞組等效極對數。

根據磁齒輪的基本原理，電機電樞繞組旋轉磁場轉速和轉子轉速比值Gr為

(2)

式中：m=1，3，5，…，∞；k=0，±1，±2，±3，…，±∞。對SPM-FMV電機來說，為產生最高次的異步空間諧波，取m=1，k=-1；由于該電機是12/8極雙凸極永磁(Doubly Salient Permanent Magnet， DSPM)電機的拓撲結構[18-19]，根據DSPM電機的基本運行原理，電機的轉子極數和電樞繞組等效極對數相等，即ps=8，則當每個定子極上分裂出3個調制齒，則調制齒總數目Ns= 36。根據式(1)，可得到轉子極數pr= 28。根據式(2)可以得到轉速比Gr為-7∶2 ，即電樞繞組旋轉磁場轉速是轉子轉速的3.5 倍，而旋轉方向相反。當定子電樞繞組通以三相50Hz交流電時，因為電樞繞組等效極對數為8，可產生375r/min的旋轉磁場，根據轉速比Gr為-7∶2 ，可得到轉子在相反方向上的轉速會降到107r/min。

相比傳統定子永磁型電機[9]，SPM-FMV電機的特點有： (1) 電機只有1個氣隙，比一般磁齒輪永磁電機結構簡單，而后者有3個或2個氣隙[20]；(2) 外轉子是無繞組、無永磁體的凸極結構，結構簡單，機械強度高，可與電動汽車車輪直接集成，形成輪轂電機；(3) 由于磁化電流作用時間較短(<1s)，與混合勵磁類永磁電動機相比，不存在調節磁通時所需的持續勵磁電流損耗，電機效率更高；(4) 電樞繞組和鋁鎳鈷永磁體分布在定子的內外兩層，最大限度避免了電樞反應對永磁體的影響；(5) 電機采用集中式繞組，使端部線圈較小，從而減少了用銅量和銅耗。

根據機電能量轉換原理，SPM-FMV電機的轉矩可表示為

(3)

式中:W′(ip,θ)——磁共能;

TPM——電機的永磁轉矩;

Tr——磁阻轉矩;

θ——轉子位置角;

k——磁通調節系數;

ψPMmax——鋁鎳鈷永磁體滿磁化狀態下的三相繞組永磁磁鏈,ψPMmax=[ψPMaψPMbψPMc]T；

I——三相電樞電流，I=[iaibic]T;

L——三相電樞繞組電感。

由式(3)中可知，通過改變磁通調節系數k，能夠調節電機內氣隙磁場。當電機低速運行時，電機工作在k=1即滿磁狀態，能夠輸出高轉矩；當電機恒功率高速運行時，通過施加短時磁化電流脈沖，減小電機氣隙磁場強度，從而實現弱磁升速。

2 電磁性能

SPM-FMV原理樣機的基本設計參數如表1所示。由于鋁鎳鈷永磁體磁化特性具有強非線性、多值性的特點，基于鋁鎳鈷永磁體實際的磁滯回線模型，采用分段線性磁滯模型與有限元時步法相結合的方法對其靜態和瞬態電磁性能進行了仿真分析[21]。

表1 SPM-FMV原理樣機的基本設計參數

SPM-FMV電機在k=1即滿磁狀態下不同轉子位置時的空載磁場分布如圖2所示。其中圖2(a)為轉子初始位置角θr=0°時的空載磁場分布。圖2(b)為轉子位置角θr=7.72°即旋轉了3/5極距的空載磁場分布。電機氣隙磁密被調節為滿磁狀態1/3時的不同轉子位置角的空載磁場分布如圖3所示?？煽闯?，每個定子極上的磁力線通過調制齒調節后通過氣隙和轉子又回到定子極上，從而達到了磁場調制的效果。比較兩個不同轉子位置的磁場分布可發現，在一個相對較短的極距內磁力線分布發生了很大變化，從而在低速運行時得到高轉矩。另外，可看出k=1時電機的磁通密度明顯強于k=1/3時的磁通密度，驗證了通過改變磁通調節系數k，可有效調節電機內氣隙磁場。

圖2 k=1時不同轉子位置下的空載磁場分布

圖3 k=1/3時不同轉子位置下的空載磁場分布

為進一步驗證電機的磁場調節能力，考查SPM-FMV電機在轉速為500r/min 時不同磁化狀態下的反電勢、徑向氣隙磁密分布波形分別如圖4、圖5所示?？煽闯觯蛰d反電勢峰值從25V 調節到75V，氣隙磁密幅值從0.3T調節到0.9T，證明通過在線調節鋁鎳鈷磁化程度能有效調節空載反電勢和氣隙磁密，且實現氣隙磁場的調節容易，電機可通過弱磁升速來獲得寬調速特性。盡管該電機采用了雙凸極結構，由于在每個定子極上添加了調制齒，反電勢不再是梯形波，而近似于正弦波。由圖5可知，氣隙磁密在0～180°有18個峰值，這跟磁齒輪效應原理相符。

圖4 不同磁化狀態下的反電勢波形

圖5 不同磁化狀態下的氣隙磁密分布

滿磁狀態下氣隙磁密對應的空間諧波頻譜分析圖如圖6所示。可看出，通過引入調制齒，能將電機氣隙磁密調制出幅值較高(接近0.9T)、磁極對數與轉子齒數相同(等于28)的諧波分量，從而通過磁齒輪效應，實現電機的變速變比運行。

圖6 空間諧波頻譜分析圖

由于該電機的空載反電勢不再呈現為梯形波，而是更接近于正弦波，故可采用正弦波控制，即BLAC控制方式。

給定轉速為500r/min下的轉矩和電樞電流波形如圖7所示?？煽闯?，通入幅值為20A電樞電流時，SPM-FMV電機最大可提供45N·m的電磁轉矩，且轉矩脈動為13.6%，明顯小于傳統的雙凸極電機[22]。

圖7 轉矩和電樞電流波形

3 動態特性

為驗證SPM-FMV電機設計的合理性及其基本驅動性能，考查該電機在不同給定轉速和不同給定負載轉矩下的動態響應，如圖8所示。在電樞電流限幅值為20A的條件下，初始給定負載為20N·m，不計負載的轉動慣量，電機在0.08s達到給定轉速500r/min，此時電機輸出轉矩42N·m；在0.12s時給定轉速突變為750r/min，0.2s 給定負載轉矩突變為10N·m，電機轉速和轉矩均能快速達到了給定值?？梢奡PM-FMV電機具有良好的動態響應能力，能滿足電動汽車等頻繁變速運行等工況的要求。

圖8 突變速度和突變負載下電機的動態響應

SPM-FMV電機采用了可在線充、去磁的鋁鎳鈷永磁材料，通過在線調節電機磁化繞組電流的大小和方向，能實現有效調節和控制電機的反電勢峰值。由于磁化繞組和勵磁轉矩的存在，使得電機的控制方式更靈活，通過增磁、弱磁等不同工作模式的切換，能滿足電動汽車不同運行工況的要求。

圖9 SPM-FMV電機起動響應、充磁電流曲線

SPM-FMV電機起動響應、充磁電流曲線如圖9所示。在相同的給定速度和負載條件下(給定轉速500r/min，負載轉矩20N·m)，可看出，當不施加充磁電流時，達到給定轉速需要0.08s；當有充磁電流時，相同負載和轉動慣量下電機僅需要0.05s便達到相同的給定轉速。這表明電機起動時可通過施加充磁電流，縮短起動響應時間，有效提高了電機動態響應性能，能滿足電動汽車等起動、急加速等運行工況的要求。

重載爬坡時，電機的動態響應曲線如圖10所示。首先給定負載20N·m，給定轉速500r/min起動，電樞電流限幅為20A，最大輸出轉矩為42N·m。由圖可見，電機在0.08s 時達到穩定轉速，輸出轉矩等于負載轉矩20N·m ，電樞電流也降為8A；在0.12s時負載轉矩突變為47N·m，電機的輸出轉矩和電樞電流立即增大到最大值，且此時最大輸出轉矩小于給定負載轉矩，電機的轉速呈現出下降趨勢。磁化繞組的存在，為提供額外的正向磁化轉矩提供了可能。如圖10所示，在 0.16s時施加充磁電流，能產生與永磁轉矩方向一致的電磁轉矩，電機總輸出轉矩隨之增加并達到給定負載轉矩，轉速上升至 500r/min，電機重新達到平衡狀態。在0.3s，負載降為 20N·m，此時不需要充磁電流來產生正的電磁轉矩，也可滿足要求?？梢?，電機在已處于滿磁狀態下和最大轉矩輸出情況下，仍可通過施加充磁電流產生正的電磁轉矩，滿足電動汽車等運行場合重載、加速或者爬坡時所需要的大轉矩要求。

圖10 重載爬坡時電機的動態響應曲線

進一步驗證了該電機的寬調速運行性能。傳統混合勵磁電機在高速運行時需要持續施加去磁勵磁電流，SPM-FMV電機可通過直流去磁脈沖電流來調節永磁體磁化狀態，從而實現了高速運行時弱磁升速。弱磁運行時轉速、轉矩和去磁脈沖電流曲線如圖11所示。給定負載轉矩為8N·m，起動時限流20A。由圖可知，隨著電機轉速的不斷升高，電機的反電勢和端電壓逐漸趨于平衡，電機能達到的最高轉速僅為1580r/min。當在1s時施加2A 的去磁電流，轉速上升至2050r/min，實現了弱磁升速，可看出弱磁后的電磁轉矩波動減小。

圖11 弱磁運行時轉速、轉矩和去磁脈沖電流曲線

4 結 語

本文將磁通記憶式電機概念和游標結構結合到定子永磁型電機中，提出了一種電動汽車用新型定子永磁型磁通記憶式游標電機，采用分段線性磁滯模型與有限元時步法相結合的方法對該電機的靜態和動態特性進行了分析。仿真結果表明，SPM-FMV電機能容易實現在線調節氣隙磁場，在低速運行時能提供大轉矩，高速運行可在線弱磁升速，并有效運行在較寬的恒功率區，拓寬了調速范圍。所以，SPM-FMV電機在電動汽車驅動領域具有一定的可行性和應用前景。

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