電動汽車分布繞組鐵氧體電機的電磁設計

易夢云，李新華，汪思敏，劉光華

(湖北工業大學，武漢 430068)

0 引 言

電動汽車驅動用鐵氧體永磁輔助式磁阻同步電動機(以下簡稱鐵氧體電機)逐漸受到人們的關注[1-3]。與電動汽車驅動用釹鐵硼永磁同步電動機相比，鐵氧體電機在電磁設計上存在一定差異。文獻[4]就電動汽車驅動用集中繞組鐵氧體電機極槽配合、不可逆退磁等問題進行了研究，但沒有涉及分布繞組鐵氧體電機電磁設計問題。

國外一些學者就電動汽車驅動用分布繞組鐵氧體電機電磁設計進行了相關研究。文獻[5-6]研究了電動汽車驅動用4極24槽鐵氧體電機抗去磁問題，重點討論了轉子“U”形磁鋼槽大小及位置對不可逆去磁的影響，但沒有就極槽配合等對鐵氧體電機轉矩能力的影響進行分析。文獻[7]介紹了電動汽車驅動用55 kW鐵氧體電機的電磁設計方案以及電機轉矩特性的仿真方法和結果，并分析了惡劣工況下鐵氧體磁鋼的不可逆退磁，但沒有討論d軸磁鋼槽層數以及磁鋼切向不分段對電機性能的影響。文獻[8]研究了鐵氧體電機轉子“月”形磁鋼槽時的抗電樞反應去磁問題，詳細分析了磁鋼不同充磁方向厚度、弧長以及隔磁結構形狀等對去磁能力的影響，但沒有研究“月”形磁鋼槽轉子鐵氧體電機的轉矩能力和轉矩脈動率。本文以60 kW電動汽車驅動用鐵氧體電機為例，采用計算機仿真方法，研究分布繞組鐵氧體電機電磁設計中極槽配合、磁鋼布置對轉矩能力和性能的影響，同時討論鐵氧體磁鋼的不可逆退磁問題，得出能夠指導工程實踐的有益結論。

1 極槽配合

與集中繞組鐵氧體電機相同，極槽配合與電機的轉矩能力和性能密切相關。分布繞組鐵氧體電機可以選擇的極槽配合比較多，需要進行多個極槽方案的比較分析。

本文研究鐵氧體電機的主要技術數據如表1所示，定子鐵心外徑和軸向長與同規格釹鐵硼永磁同步電動機基本相同。

表1 鐵氧體電機的主要技術數據

分布繞組鐵氧體電機極數太少會影響電機的轉矩能力，極數太多又使轉子結構復雜，一般選擇6極或8極，這里討論6極鐵氧體電機方案。

下面討論6極/36槽、6極/45槽和6極/54槽三種極槽配合方案，其中6極/36槽和6極/54槽為整數槽繞組，6極/45槽為分數槽繞組。圖1是三種極槽配合鐵氧體電機的仿真模型，轉子均采用四層“U”形磁鋼槽結構，槽內全部放置磁鋼。對電機模型進行負載仿真，圖2是不同極槽配合鐵氧體電機額定和峰值電磁轉矩時的仿真波形，表2為三種極槽配合鐵氧體電機的仿真結果。

(a) 6極/36槽

(b) 6極/45槽

(c) 6極/54槽

圖1不同極槽配合電機的仿真模型

(a) 6極/36槽

(b) 6極/45槽

(c) 6極/54槽

圖2 不同極槽配合電機電磁轉矩仿真波形

從表2可以看出，額定和峰值轉矩工況時，6極/45槽所需電流最小，6極/54槽次之，6極/36槽最大。額定轉矩工況電流相差并不大；峰值轉矩工況電流就相差很大，如6極/36槽電流比6極/45槽大70A。顯然，6極/45槽鐵氧體電機的轉矩能力和性能優于其它兩種電機?？梢姡瑯O槽配合對鐵氧體電機峰值工況轉矩能力有較大影響。

進一步觀察，6極/36槽電機峰值轉矩工況磁阻轉矩占比最低，這與該工況電機的磁場分布狀況有關。圖3是三種極槽配合峰值轉矩工況時電機的磁場云圖。比較三種極槽配合時q軸定、轉子磁路的飽和狀況發現，6極/36槽電機飽和程度比其它兩種極槽配合的重，說明該電機q軸電感下降較多，導致磁阻轉矩下降，電流增大。

(a) 6極/36槽

(b) 6極/45槽

(c) 6極/54槽

圖3不同極槽配合電機峰值工況磁場仿真云圖

2 磁鋼布置

鐵氧體電機轉子有多層磁鋼槽，磁鋼布置比較靈活。在選擇磁鋼布置方式時需要考慮多種因素，包括轉矩能力與性能、轉子結構與制造工藝以及磁鋼不可逆退磁等。關于磁鋼不可逆退磁問題，下一章節有專門討論。

目前鐵氧體電機轉子以開“U”形磁鋼槽居多，磁鋼放置方式有兩種：一種是轉子“U”形磁鋼槽內全部放置磁鋼；另一種只在轉子“U”形磁鋼槽的d軸上放置磁鋼。前者每極磁鋼數目和規格較多，放置磁鋼比較費時；后者每極磁鋼數目和規格較少，放置磁鋼也相對容易。還有一種“月”形磁鋼槽形，每層放置“月”形磁鋼的切向寬度和徑向厚度都不一樣，這種磁鋼制作成本比較高。

下面討論6極/45槽配合條件下三種磁鋼放置方式對鐵氧體電機轉矩能力與性能的影響。圖4是磁鋼不同放置方式6極/45槽鐵氧體電機的仿真模型。與圖1不同的是，圖4中的磁鋼槽內的磁鋼切向沒有分段，而圖1中的槽內磁鋼切向分成了兩段。

(a) 全放置

(c) “月”形槽放置

圖4磁鋼不同放置方式電機的仿真模型

對圖4鐵氧體電機的電磁轉矩進行仿真，圖5是鐵氧體電機額定和峰值轉矩工況電磁轉矩的仿真波形，表2為鐵氧體電機的仿真結果。

(a) 全放置

(b) d軸放置

(c) 月形槽放置

圖5 磁鋼不同放置方式電機電磁轉矩仿真波形

從表3可以看出，“月”形磁鋼槽鐵氧體電機的額定和峰值轉矩電流都最小，表明其轉矩能力最強，同時轉矩脈動率最低，磁鋼也只放置了3層，不考慮磁鋼制造成本，“月”形磁鋼槽是鐵氧體電機優選的轉子結構。“U”形磁鋼槽磁鋼全放置鐵氧體電機的額定和峰值轉矩電流比“月”形磁鋼槽電機的略大，轉矩脈動率較低，也是一個不錯的轉子結構方案?！癠”形磁鋼槽d軸放置磁鋼鐵氧體電機的額定和峰值轉矩電流以及轉矩脈動率最大，但這種轉子結構相對簡單，其結構還有進一步的優化空間。

圖6是d軸放置磁鋼鐵氧體電機優化后的電機模型。與圖4(b)不同，現在“一”字形磁鋼的切向寬度和徑向高度都不相等，而且轉子磁鋼槽由原來的4層變為3層。圖7是其電磁轉矩仿真波形，額定和峰值轉矩電流分別為147 A和350 A，額定和峰值轉矩脈動率分別為5.8%和9.7%，優化后電機的轉矩能力有所提高，轉矩脈動率明顯降低。可見，轉子磁鋼槽層數越多，轉矩能力并非越強。這是因為層數增多后q軸磁路變得更加狹窄，磁路飽和程度加重，導致電機轉矩能力下降。

圖6優化后的d軸放置磁鋼電機模型

圖7優化后電機電磁轉矩仿真波形

3 不可逆退磁

鐵氧體是一種硬質陶瓷材料，能耐受惡劣環境；但溫度特性與釹鐵硼不同，即鐵氧體剩余磁感應強度呈負溫度系數，矯頑力呈正溫度系數，也就是退磁曲線的轉折點隨著溫度的升高向左邊移動。圖8是兩個不同牌號鐵氧體的退磁曲線，FB9B低溫-60℃、-20℃退磁曲線在第二象限出現了轉折點；而FB9H內稟矯頑力較高，退磁曲線在第二象限沒有轉折點，轉折點出現在第三象限。

(a) FB9B

(b)FB9H

圖8兩個不同牌號鐵氧體的退磁曲線

電動汽車鐵氧體電機通常要考察 -20°C 時鐵氧體磁鋼的不可逆退磁風險。下面分析圖4(a)分別采用FB9B和FB9H兩個牌號磁鋼時，鐵氧體電機在峰值轉矩工況下是否出現不可逆退磁現象。圖9是鐵氧體電機峰值轉矩工況時的磁場仿真云圖，圖10是鐵氧體磁鋼觀測線處的磁密波形，圖10(a)是圖9(a)中第一層中間磁鋼表面AB段觀測線上的磁密波形，圖10(b)是圖9(b)中第一層中間磁鋼表面CD段觀測線上的磁密波形。從圖10(a)可見，觀測線上一處最低磁密為 - 0.403 T，在該牌號磁鋼 -20℃退磁曲線轉折點以下，表明磁鋼出現了不可逆退磁；圖10(b)鐵氧體電機磁鋼為FB9H，觀測線上一處最低磁密為0.009 T，而該牌號磁鋼 -20℃退磁曲線轉折點在第三象限，故沒有出現不可逆退磁。

(a) FB9B

(b)FB9H

圖9不同牌號磁鋼鐵氧體電機的磁場云圖

(a) 磁鋼AB觀測線上的磁密波形

(b)磁鋼CD觀測線上的磁密波形

圖10鐵氧體磁鋼觀測線上的磁密波形

日本TDK公司三種不同牌號鐵氧體永磁材料的性能參數比較如表4所示，牌號為FB14H鐵氧體磁鋼的內稟矯頑力達430 kA/m。如果在上述電機中采用FB14H鐵氧體磁鋼，圖11是鐵氧體電機通入340 A(約2.38倍額定電流)過載電流時的磁場仿真云圖，圖12是鐵氧體磁鋼觀測線處的磁密波形，觀測線EF上磁密全為正值，磁鋼未出現不可逆退磁現象。進一步仿真表明，若繼續加大電流，磁鋼則可能出現不可逆退磁。因此，從磁鋼安全的角度出發，340 A是該電機的最大過載電流。

表4 TDK三種鐵氧體永磁材料性能參數比較

圖11牌號FB14H鐵氧體電機通入340 A電流磁場仿真云圖

圖12磁鋼EF觀測線處的磁密波形

國內東磁DM4550的內稟矯頑力接近400kA/m，可以基本滿足開發電動汽車鐵氧體電機的性能要求，但與TDK的FB14H仍有差距。因此，提高國內鐵氧體永磁材料的內稟矯頑力是電動汽車鐵氧體電機研發中的一個重要課題。

4 結 語

極槽配合、磁鋼布置與分布繞組鐵氧體電機的轉矩能力和轉矩性能密切相關。通常定子分數槽繞組、轉子“月”形磁鋼槽鐵氧體電機的峰值轉矩能力與性能要優于整數槽繞組、“U”形磁鋼槽的鐵氧體電機。

電動汽車鐵氧體電機需要校核低溫下的不可逆退磁問題，為了避免鐵氧體電機出現不可逆退磁現象，設計時應選擇內稟矯頑力較高的磁鋼。同時國內也要大力開發高內稟矯頑力的鐵氧體永磁材料。