電動大巴車用永磁電機轉子結構分析*

陳麗香, 付鳴達, 解志霖, 孫 寧, 徐廣人

(1. 沈陽工業大學 國家稀土永磁電機工程技術研究中心,遼寧 沈陽 110870;2. 沈陽藍光驅動技術有限公司，遼寧 沈陽 110179)

0 引 言

永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)由于具有高轉矩密度、高效率、高功率因數、優良的低速驅動特性和較寬的調速范圍，已經成為了電動汽車主驅動電機的首選機型[1]。內置式轉子內的永磁體受到極靴的保護，其轉子磁路結構的不對稱性所產生的磁阻轉矩也有助于提高電動機的過載能力和功率密度，而且易于“弱磁”擴速[2]。內置式轉子永磁體擺放形式多種多樣，常見的有一型、V型、U型以及諸多雙層結構，其中豐田Prius 2003驅動電機永磁體采用一型結構，Prius 2004和Prius 2010驅動電機永磁體采用了V型結構，豐田公司 2008 Lexus LS600H驅動電機采用了雙層V一型永磁體結構[3]。弱磁擴速能力是電動汽車的關鍵技術之一，轉子磁路結構的不同直接影響電機的永磁磁鏈和交、直軸電感，進而影響電機的性能。

文獻[4]對5種不同拓撲結構的PMSM進行了比較，“V”字型和永磁體分段的永磁電機要比傳統內置式永磁電機有更好的弱磁擴速能力，通過優化永磁體的形狀和位置，使得PMSM的性能進一步提高，更加適合混合動力驅動。文獻[5]利用有限元法分別對一型 、 V型和V一型結構的性能進行分析， 通過比較選擇出適用于電動汽車用的電機轉子結構并進行了優化。文獻[6]對不同的轉子磁路結構進行了分析，分析了一字型結構、V型結構和U型結構電機的氣隙磁密幅值和諧波含量、齒槽轉矩、轉矩波動。文獻[7]使用有限元軟件，對電機的效率云圖進行了仿真，將仿真結果和試驗結果進行了對比，驗證了該方法的有效性，利用該方法仿真電機的效率云圖。文獻[8]對20 kW電動汽車用永磁電機的電磁設計進行了研究，分別做出了V型和V一型兩種結構的樣機，并完成了試驗。

本文針對1臺104 kW大巴車用永磁電動機，對V型結構和V一型結構兩種不同結構電機進行分析，最終選出適合本電機的轉子結構。電機的設計指標如表1所示。

表1 電機設計指標

1 PMSM dq軸數學模型

分析正弦波電流控制的調速PMSM最常用的方法就是dq軸數學模型。其不僅可用于分析正弦波PMSM的穩態運行性能，也可用于分析電動機的瞬態性能。為建立正弦波PMSM的dq軸數學模型，首先假設：忽略電動機鐵心飽和；不計電動機中的渦流和磁滯損耗；電動機的電流為對稱的三相正弦波電流；由于電動機的相電阻很小，忽略電機的電阻。

PMSM相量圖如圖1所示。

圖1 PMSM相量圖

電機在dq軸系統下參數可表示為

Ud=-ωeψq(1)

Uq=ωeψd(2)

ψd=ψpm+LdId(3)

ψq=LqIq(4)

Id=-Issinγ(5)

Iq=Iscosγ(6)

式中：Ud、Uq——電機在dq軸坐標系電壓；

ψd、ψq——電機在dq軸坐標系磁鏈；

Id、Iq——電機在dq軸坐標系電流；

Lq、Ld——電機在dq軸坐標系電感；

ωe——電角速度;

ψpm——永磁體產生的磁鏈；

Is——定子電流的有效值;

γ——電流控制角。

通常認為電機的電磁轉矩為永磁轉矩和磁阻轉矩之和，電機在dq軸數學模型下的轉矩可表示為

(8)

式中：T——電磁轉矩 。

在電機設計中，交直軸電感的計算十分重要。在dq軸數學模型下交直軸電感的計算方法如下：

(11)

式中：θ——永磁體與A相繞組夾角；

LABC——電機電感矩陣，可由Ansoft求得。

2 不同轉子結構對電機性能的影響

選擇V型結構和V一型結構兩種轉子磁路結構進行比較。對比不同轉子磁路結構電機的性能和特點，不同轉子磁路結構橫截面如圖2所示。

圖2 不同結構電機轉子沖片

保證不同結構電機永磁體用量相同，兩種不同轉子磁路結構的電機除永磁體結構形式外，其余參數都相同，如定子外徑、氣隙長度等。

2. 1 不同轉子磁路結構電機的氣隙磁密

不同轉子結構電機的氣隙磁密諧波幅值如圖3所示，具體數值如表2所示。結合圖3和表2可以看出，V型結構電機的氣隙磁密基波幅值要大于V一型結構電機的氣隙磁密基波幅值，比V一型結構高出18%。兩種結構的5次諧波幅值相差不大，V型結構的3、7、9次諧波幅值都要比V一型結構的高，其中3次諧波最為明顯。

圖3 不同轉子結構電機的氣隙磁密波形

諧波次數13579V型結構/T1．0530．2050．0150．0980．097V一型結構/T0．8920．0170．0160．0610．077

2. 2 不同轉子磁路結構電機的交、直軸電感

兩種不同結構電機的直軸電感隨電流變化曲線如圖4所示。

圖4 不同轉子結構下直軸電感

從圖4中可以看出，兩種結構電機的直軸電感幾乎沒有差別，兩條曲線接近重合。

兩種不同結構電機的交軸電感隨電流變化曲線如圖5所示。可以看出V型結構電機的交軸電感要低于V一型結構電機的交軸電感，當電流為100 A時，V型結構電機的交軸電感為2.18 mH，V一型結構的交軸電感為2.29 mH，V一型結構的交軸電感比V型結構高5%。

圖5 不同轉子結構下交軸電感

2. 3 不同轉子磁路結構電機的轉矩和齒槽轉矩

圖6 不同結構電機在不同電流控制角下的轉矩

電動汽車電機的運行主要分為兩個階段：恒轉矩階段，電機實行最大轉矩電流比控制，在該階段需要尋找合適的電流角，使電機在相同電流下產生的轉矩最大；弱磁階段，對電機實行弱磁控制。兩種不同結構電機在相同電流不同電流控制角下轉速的變化曲線如圖6所示，V型結構在電流角為30°時，產生的轉矩轉矩最大為882 N·m;V一型結構在電流角為36°時產生最大轉矩為818 N·m，比V型結構的最大轉矩低了7.3%。

通過仿真不同電流下的最大轉矩，得到不同結構電機的轉矩-電流曲線如圖7所示。從圖7中可以看出在整個電流范圍內，V型結構電機的轉矩都要大于V一型結構電機的最大轉矩，表明在相同永磁體用量下V型結構電機產生轉矩的能力強于V一型結構電機。

圖7 不同結構電機的轉矩-電流曲線

兩種結構電機的齒槽轉矩如圖8所示，V一型結構電機的齒槽轉矩的峰值為31.2 N·m；V型結構電機齒槽轉矩的峰值為50.5 N·m，比V一型結構電機高61.8%。

圖8 不同轉子結構齒槽轉矩

2. 4 不同轉子磁路結構電機的鐵耗

不同結構電機的鐵耗隨轉速變化曲線如圖9所示。從圖9中可以看出，在任一轉速下，V型結構電機的鐵耗都大于V一型結構電機的鐵耗。

圖9 不同轉子結構電機鐵耗隨轉速變化曲線

3 不同轉子結構電機的弱磁擴速性能及效率云圖

(12)

式中：Ωmax——電機的最大轉速；

ulim、ilim——逆變器輸出電壓和電流的極限值；

ψf——電機的永磁磁鏈。

電機所能達到的最高轉速與逆變器的最大輸出電壓、電流、電機的直軸電感及永磁磁鏈有關。不同的轉子磁路結構由于永磁體的擺放形式及其他因素的影響，導致不同轉子磁路結構電機的交直軸電感和永磁磁鏈不同，進而影響電機的弱磁擴速能力。

3. 1 相同電流下電機的弱磁擴速性能

兩種結構電機在相同電流下的轉矩-轉速曲線如圖10所示。從圖10中可以看出，在恒轉矩階段V型結構電機的轉矩大于V一型結構電機的轉矩。隨著轉速的增加，電機轉矩下降，V一型結構電機的最高轉速要高于V型結構電機的最高轉速，且轉折速度大于V型結構，主要原因是V一型結構電機的空載反電動勢較低。

圖10 不同轉子結構下電機轉矩-轉速曲線

兩種結構電機在相同電流下的功率-轉速曲線如圖11所示。

圖11 不同轉子結構電機鐵耗隨轉速變化曲線

3. 2 不同工況下電機所需電流

(1) 工況1：最高轉速。V型結構電機在額定轉矩下達到最高轉速所需電流為298 A，V一型結構電機所需電流為290 A，此時兩種結構電機的轉矩轉速曲線如圖12所示。

圖12 不同轉子結構電機轉矩轉速曲線

兩種結構電機在逆變器允許的電流范圍內均能達到最高轉速，符合設計要求。

(2) 工況2：峰值轉矩。電機的峰值轉矩為1 590 N·m，V型結構電機達到峰值轉矩所需電流為364 A，V一型結構電機達到峰值轉矩所需電流為382 A，比V型結構電機高5%。

3. 3 不同轉子結構電機的效率云圖

不同結構電機的效率云圖如圖13所示。

圖13 不同結構電機的效率云圖

從圖13可以看出，V一型轉子結構電機效率大于96%的范圍要比V型結構電機的廣，橫跨的轉速區間較大。

綜上所述，V一型結構電機的弱磁擴速能力較強，恒功率范圍較廣，損耗小、高效率區間較大，但其輸出轉矩的能力較差。大巴車電機對轉矩密度要求較高，在相同電流下，V型轉子結構電機產生的轉矩較高，有利于提升電機的轉矩密度，經過綜合考慮，最終選擇V型轉子結構。

4 結 語

本文主要分析了V型轉子結構和V一型轉子結構對電機性能的影響，主要得出以下結論:(1) 在相同永磁體用量下，V型結構電機的氣隙磁密基波幅值比V一型結構電機高，但氣隙磁密諧波幅值大，電機的鐵耗較大。(2) V型和V一型兩種結構電機的直軸電感差別不大，但V一型結構的交軸電感比V型結構的交軸電感大。(3) V型結構電機在單位電流下產生的轉矩較大，有利于提高電機的轉矩密度，但齒槽轉矩比V一型結構電機的大。(4) V一型結構電機的鐵耗較小，電機的高效率區間范圍比V型結構電機大。

【參 考 文 獻】

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