鑄銅轉子雙三相異步電動機設計與優化

翟秀果，李毅拓，陳西山，何 欣

(河南森源重工有限公司，長葛 461500)

0 引 言

現今隨著環境問題和能源問題的日漸突出，許多國家和地區先后頒布了新能源車輛強制使用法規和條例。以電動車輛為主的新能源車越來越被大眾所接受，在道路交通工具中其占比不斷提升[1]。

目前，國外最具代表性的電動汽車主要有以特斯拉 Model3、日產Leaf、寶馬i3等為代表的純電動汽車，和豐田Prius為代表的插電式混合電動汽車，以及豐田Mirai為代表的氫燃料電動汽車[2]。國內的新能源汽車研發雖然起步較晚，但已初具規模，依托國家政策的導向及廣闊的市場需求，相關技術水平得到了不斷提升。目前，市場上已經有大量的車型推出，以純電動汽車為主，包括部分插電式混動汽車，涵蓋乘用車、商用車以及專用車等領域，相關核心零部件及配套技術也逐漸完善[3]。

我國新能源汽車的銷售量目前已超過美國，我國已成為全球最大的新能源汽車市場，但是核心技術仍然存在一些問題。首先，電動車目前的續航里程不足。續航里程不足的問題嚴重影響消費者的使用體驗，制約著新能源汽車的發展與推廣，是急需解決的重要問題，而電驅動系統作為新能源汽車的核心零部件起到至關重要的作用。為解決這些問題，要求電驅動系統能夠提供高功率密度、高效率的解決方案。其次，電動車電驅動系統的可靠性也是重要問題之一[4]。一方面，現有驅動電機定子多采用三相繞組，一旦某一相出現故障將對電機的可靠運行產生巨大影響；另一方面，目前主流的永磁同步電機存在永磁體失磁，進而失去動力的風險，高速時還存在失控后反電動勢過高的風險，嚴重影響電驅動系統的可靠性。

本文以一款9 kW鑄銅轉子雙三相異步電動機為例，探討鑄銅轉子的高效率性和雙三相定子的高可靠性。傳統異步電動機轉子鼠籠導條為鑄鋁結構，轉子電阻較大，電機運行時轉子的損耗較大。若將鑄鋁鼠籠改為鑄銅鼠籠將大幅降低轉子電阻，從而降低轉子發熱，提高電機效率，節省電能，延長行駛里程。異步電動機因其轉子結構中不含永磁體，不存在永磁電機的失磁問題，鼠籠轉子的可靠性高于永磁電機，這也是蔚來電動汽車越來越傾向于使用異步電動機作為驅動電機的原因。另外，將三相定子繞組改為六相繞組，使定子具有較強的容錯運行能力，從定子方面進一步提高電機運行可靠性。

1 動力匹配及電機性能

本文所研究的異步電動機擬用作小型代步電動汽車的驅動電機，該電機峰值功率需滿足：

Pr=max{Pv,Pg,Pj}

(1)

式中：Pv為電動汽車最高車速行駛時所消耗的功率；Pg為電動汽車的最大爬坡功率；Pj為電動汽車水平加速功率。

(2)

(3)

(4)

式中：ηt為機械傳動效率；M為整車質量；g為重力加速度；fr為滾動阻力系數；CD為空氣阻力系數；Af為車輛迎風面積；δ為汽車的旋轉質量換算系數；v為車輛速度[4]。

根據車輛具體參數，計算所需驅動電機的峰值功率Pr=9 kW。由車輛行駛速度計算電機峰值轉速n=2 000 r/min。

由公式：

(5)

計算電機峰值轉矩TN=43 N·m。

根據異步電動機解析和實驗方程確定電機主要尺寸，其中定子內徑：

(6)

式中：p為極對數，考慮到控制器開關頻率，本電機取值p=2；ρ為長度與極距比值，本電機取值1；αp為極弧系數，本電機取值0.7；Kf為氣隙磁通波形系數，取值1.11；Kw為分布繞組系數，本電機擬設計為單層繞組，取值0.96；A為電負荷，取值40 kA/m；B為磁負荷，取值0.8 T；Pr為電機峰值功率；n為峰值轉速；ε為反電動勢與額定電壓比值，本電機取值0.9；η為電機效率，暫取值0.92；φ為功率因數角。

根據式(6)計算電機定子內徑尺寸Dsi=12 cm。

電機鐵心有效長度根據公式：

(7)

進行估算得L=10 cm。

本電機擬采用鑄銅鼠籠轉子結構，鼠籠導條和端環為一體壓鑄而成，可以提高電機輸出效率。另外，為了提高定子繞組容錯運行能力，本電機定子采用雙三相繞組，分別為A，B，C和U，V，W，雙三相間相角關系如下：

(8)

用相關數值在Maxwell軟件中進行解析計算，得到電機基本參數，生成二維模型如圖1所示，雙三相電機參數如表1所示。

圖1 9 kW雙三相異步電動機一對極剖面圖

表1 鑄銅轉子雙三相異步電動機參數

計算得到電機輸出峰值狀態功率和轉矩，如圖2所示，從圖2中可看出,計算所得電機輸出特性滿足車輛動力要求。

圖2 電機輸出特性

2 對比分析

為了說明雙三相鑄銅轉子異步電動機的高效率和高可靠性特點，進一步仿真計算相同尺寸參數下鑄銅轉子與鑄鋁轉子的效率差異，然后仿真計算電機在缺相運行時輸出特性差異。

2.1 鑄銅轉子和鑄鋁轉子電動機效率對比

用有限元軟件計算鑄銅鼠籠轉子異步電動機效率分布如圖3所示。計算鑄鋁鼠籠轉子異步電動機效率分布如圖4所示。

圖3 鑄銅轉子鼠籠電機效率分布

圖4 鑄鋁轉子鼠籠電機效率分布

鑄銅轉子和鑄鋁轉子在電機低速恒轉矩區域效率差別較大，該區域電機大轉矩輸出，需要較高的勵磁電流，電機的損耗主要為銅耗，而銅材料電阻率遠低于鋁，所以鑄銅轉子在該區域平均效率要高出鑄鋁轉子，從圖3和圖4中可以看出,低速區銅材料轉子效率比鋁材料轉子的電機效率平均高出10%～15%。高速區域兩種電機效率差別不大，這是因為高速運行時電機轉子勵磁電流較小，轉子銅耗不再是主要損耗，而是電機鐵耗、摩擦損耗以及定子銅耗，隨著轉速升高，轉子銅耗在總損耗中的占比越來越小。

2.2 三相和雙三相異步電動機缺相運行對比

三相異步電動機外部電路圖如圖5所示，雙三相異步電動機外部電路圖如圖6所示。

圖6 雙三相電機外部電路圖

經過計算三相電機和雙三相電機在繞組正常工作的情況下輸出轉矩一致，電機從起動到穩定的轉矩曲線如圖7所示。

當A相斷路時，三相異步電動機的正序電路和負序電路為反向串聯，此時等效B,C相的等效電路圖如圖8所示。三相電機在對稱電壓供電情況下起動，穩定工作后在0.2 s時A相斷路，此后電機轉矩出現劇烈波動，波動幅值-5 N·m～75 N·m，整個過程電機輸出轉矩波形如圖9所示。

圖7 電機輸出轉矩曲線

圖8 三相電路A相斷路

圖9 三相電機缺相運行輸出轉矩曲線

對比計算雙三相電機在A相突然斷路的輸出轉矩，發現轉矩也存在波動，但是波動幅值為30～55 N·m，轉矩波動明顯減弱，若在0.3 s時在控制器內將有斷路的三相繞組整體切掉，只留另外三相工作，電機此時變為三相運行，輸出轉矩又可以恢復穩定，轉矩為40 N·m。雙三相電機從起動到穩定，然后A相斷路運行，再到單三相運行，整個過程的輸出轉矩波形如圖10所示。

圖10 雙三相電機缺相運行輸出轉矩曲線

從圖9和圖10可以看出，在對稱電壓供電的情況下，三相電動機在定子有一相斷路之后轉矩出現劇烈波動，會導致電機嚴重過熱而損壞；而雙三相電機在定子有一相斷路之后轉矩波動較弱，短時間內不會造成電機運行故障，使雙三相電機有足夠多的時間切換為單三相運行，雖然轉矩略大于峰值，但可以維持車輛繼續行進至檢修區，因此雙三相電機對比傳統三相電機，可靠性得到了有效的提高。

3 優化方案

根據電動汽車常用工況要求，希望電機在中速段具有高效率輸出特性，但從圖3看出，電機高效率區集中分布在低速區，為了優化電機高效輸出方案，降低高速時鐵耗，需要對電機參數進行調整。在不增加電機體積的條件下適當增加低速部分銅耗，即調整定子和轉子槽截面面積，逐漸增加電機電負荷，降低電機的磁負荷。經過參數化仿真計算得到最優效率map的定轉子槽型。

優化前后電機定子和轉子槽型如圖11所示。定轉子槽縮小后電機的二維剖面圖如圖12所示。

圖11 電機槽型優化

圖12 槽型優化后電機剖面圖

用有限元法計算優化后的電機模型，得出電機峰值工況時的磁密圖，對比優化前磁密圖(圖13)和優化后的磁密圖(圖14)可以看出,優化后定轉子齒部和軛部最高磁密由1.8 T降到1.6 T。

圖13 電機槽型優化前峰值工況磁密圖

圖14 電機槽型優化后峰值工況磁密圖

電機鐵心損耗公式：

(9)

式中：CFe為鐵心損耗系數；f為磁場交變頻率；Bm為鐵心磁密；G為鐵心質量。

由式(9)可以看出，鐵心損耗與鐵心磁密的平方成正比，當磁密降低之后，能降低相當一部分的鐵心損耗。

計算優化后的電機效率map，如圖15所示，從圖15中可以看出，電機整體效率有所提高，而且最高效率區域集中在中速段，最大限度地節省了汽車蓄電池電能，延長了續航里程。

圖15 電機優化后輸出效率map

將電機的效率值結合電動汽車具體蓄電池參數，用ADVISOR軟件計算續航里程，計算結果如圖16所示，優化前后電動汽車續航里程整體提升了10%左右。

圖16 電機優化前后續航里程對比

4 實驗驗證

根據仿真計算數據，設計加工的電機定子和轉子如圖17所示。

圖17 電機雙三相定子和鑄銅轉子

該定子繞組為雙三相，兩套三相繞組都為星型連接，兩個中性點之間互相絕緣，定子線包共引出6個抽頭，分別為A，B，C和U，V，W；該轉子鼠籠銅條和端環為銅材料壓鑄而成，將硅鋼片疊壓之后放入壓鑄箱內，抽真空之后將銅溶液壓鑄在轉子鐵心里面。

將定子、轉子與轉軸、殼體裝配之后進行臺架測試，如圖18所示。測試系統由兩臺電機、扭矩傳感器和控制器組成，控制器提供雙三相繞組的輸入電壓來驅動電機運轉。

圖18 鑄銅轉子雙三相電機臺架試驗

測試過程中，電機雙三相的電流波形如圖19所示。通過扭矩傳感器測量軟件讀取電機輸出轉矩，如圖20所示。

圖19 電機雙三相繞組電流

圖20 電機輸出轉矩值

對電機整個轉速范圍內的輸出轉矩和功率進行測試，繪制輸出特性曲線，如圖21所示。從圖21中可以看出，電機實測輸出特性接近于仿真值，可以覆蓋電動汽車所需要的動力特性。

圖21 電機實測輸出特性

5 結 語

本文以小型電動汽車用驅動電機為研究對象，設計并制造了一臺鑄銅轉子雙三相異步電動機，通過仿真對比分析和實測得出以下結論：

1) 銅材料鼠籠轉子較鋁材料鼠籠轉子電機效率最高可提升15%，低速運行工況電動機效率提升明顯，轉速升高后電機效率提升不明顯。

2) 和焊銅工藝相比，鑄銅鼠籠轉子強度高、速度快，易于實現批量化生產。

3) 正常工作條件下，雙三相定子繞組電動機輸出特性和三相電動機一致。單定子繞組缺相運行時，雙三相電動機可以通過切繞組使其中三相單獨工作，從而提高電動機運行可靠性。

4) 電動機高效率分布區域須和電動汽車實際工況相結合，通過優化電動機的磁負荷或者電負荷來使電機的高效率區盡可能多地覆蓋到實際工況，以此提高電驅系統的整體效率，達到延長電動汽車續航里程的目的。