電動汽車高性能永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動與電磁振動抑制方法研究*

王道涵 彭 晨 王秀和

電動汽車高性能永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動與電磁振動抑制方法研究*

王道涵 彭 晨 王秀和

(山東大學(xué)電氣工程學(xué)院 濟(jì)南 250061)

轉(zhuǎn)矩脈動和電磁振動是制約內(nèi)置式永磁同步電動機(jī)在電動汽車領(lǐng)域應(yīng)用的兩項重要因素，目前工程中通常采用定子斜槽或轉(zhuǎn)子磁極分段方法對其進(jìn)行抑制。對定子斜槽和轉(zhuǎn)子磁極分段兩種方法進(jìn)行了全面的分析和對比，為高性能電動汽車永磁電機(jī)尤其是內(nèi)置式永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動和電磁振動抑制提供技術(shù)參考。通過有限元模型全面對比了兩種電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩、反電動勢、電感參數(shù)、磁阻轉(zhuǎn)矩、不同供電方式下瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩等多方面電磁性能；建立了電機(jī)的耦合多物理場模型，分別計算對比了激振力、模態(tài)頻率和振動加速度響應(yīng)等電磁振動屬性。最后，分別制作了轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)和斜槽電機(jī)樣機(jī)，進(jìn)行了全面的電機(jī)試驗，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比驗證。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)在大負(fù)載大慣量的工況下能夠達(dá)到與斜槽電機(jī)相近的力能品質(zhì)，且對電磁振動具有較好的抑制效果。相比斜槽電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)有助于降低電機(jī)加工的成本與難度，受軸向長度的制約較小。

電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)；內(nèi)置式永磁同步電機(jī)；電磁振動；轉(zhuǎn)矩脈動

1 引言

由于具有節(jié)能高效、環(huán)境友好、操控靈活等優(yōu)點，當(dāng)前純電動汽車和混合動力汽車的市場占有率正穩(wěn)步提升[1]。為了獲得良好的運行性能，需要使用具有高功率密度和寬恒功率調(diào)速范圍的驅(qū)動電機(jī)作為電動汽車的動力源[2]。在眾多類型的電機(jī)中，內(nèi)置式永磁同步電機(jī)被認(rèn)為具有最優(yōu)的綜合性能，因此得到了眾多電動汽車制造廠商的青睞[3]。然而，由于使用了永磁體并設(shè)置有較高的氣隙磁密，內(nèi)置式永磁電機(jī)也存在諸如齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動和電磁振動等一系列問題，這些問題不僅會降低電動汽車的操控性能和乘用者的舒適度，甚至?xí)闺妱悠囼?qū)動系統(tǒng)的可靠性下降，縮短驅(qū)動系統(tǒng)的使用壽命[4]。因此，在電動汽車驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計過程中減小轉(zhuǎn)矩脈動、電磁振動和噪聲已成為必要的設(shè)計規(guī)范。

徑向力和轉(zhuǎn)矩脈動是引起內(nèi)置式永磁電機(jī)電磁振動的主要原因，此外，諸如功率開關(guān)器件的開關(guān)、軸系扭力等因素也對驅(qū)動系統(tǒng)的振動有所影響[5-6]。在內(nèi)置式永磁同步電機(jī)中，永磁體產(chǎn)生的非正弦磁場、定子開槽、鐵心的飽和效應(yīng)等因素均會使氣隙中產(chǎn)生大量的諧波和復(fù)雜的激振力[7]。在大量的激振力分量中，低階和高幅值的分量更容易引起嚴(yán)重的電磁振動[8]。此外，還需要特別關(guān)注共振現(xiàn)象，當(dāng)同階數(shù)的激振力頻率與系統(tǒng)的模態(tài)頻率接近時，系統(tǒng)可能發(fā)生共振或拍振，引起較大的噪聲并降低驅(qū)動系統(tǒng)的運行可靠性[9]。因此，可能引發(fā)系統(tǒng)共振的特定階數(shù)和頻率激振力需要特別甄別，并通過更改驅(qū)動電機(jī)結(jié)構(gòu)、消除特定次激振力等方法來避免共振。轉(zhuǎn)矩脈動是引發(fā)電磁振動的另一重要因素，目前的研究中，通常認(rèn)為轉(zhuǎn)矩脈動對電磁振動僅具有有限的影響[10]。然而，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)與傳動系統(tǒng)相連輸出動力時，轉(zhuǎn)矩脈動對系統(tǒng)整體振動的影響將加強。例如轉(zhuǎn)矩脈動造成的更高頻次的齒輪拍擊、傳動桿的扭轉(zhuǎn)振動等。因此，齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動同樣有必要在電動汽車驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計過程中進(jìn)行有效的削弱。

在目前的研究中，已經(jīng)提出了一些通過調(diào)整電機(jī)的幾何參數(shù)和拓?fù)湟韵魅蹀D(zhuǎn)矩脈動和電磁振動的方法，如極弧系數(shù)選擇[11]、磁極偏移、使用輔助永磁體[12]、調(diào)節(jié)永磁體形狀或分段和定子輔助槽法[13]等。這些方法已經(jīng)被證實對轉(zhuǎn)矩脈動和電磁振動具有一定的抑制效果。然而，受制于加工成本、技術(shù)成熟度以及其他電磁性能的下降等一系列問題，這些方法并沒有在工程應(yīng)用中得到有效的推廣。當(dāng)前，定子斜槽法和轉(zhuǎn)子磁極分段方法是電動汽車制造商最為青睞的兩種轉(zhuǎn)矩脈動和電磁振動的抑制方法，如特斯拉Model 3、寶馬 i3等均采用這兩種方法[14]。簡單的原理使這兩種方法更容易工程實現(xiàn)，長期的工程應(yīng)用也驗證了這兩種方法的卓越效果。然而，定子斜槽法會增加定子鐵心的制造難度，制造過程中需要使用特殊的夾具。此外，定子的下線也較為困難，不利于自動化生產(chǎn)[15]。轉(zhuǎn)子磁極分段方法無法消除特定次數(shù)的齒槽轉(zhuǎn)矩和齒諧波，相比于斜槽法具有較大的轉(zhuǎn)矩脈動，通常需要設(shè)計成多段轉(zhuǎn)子才能達(dá)到較好的效果。

本文對電動汽車驅(qū)動電機(jī)工程加工中常用的定子斜槽法和轉(zhuǎn)子磁極分段法在轉(zhuǎn)矩性能及振動響應(yīng)方面進(jìn)行了系統(tǒng)的性能評估與對比，為工程加工中成本與性能的平衡與選擇提供技術(shù)參考。考慮到工程中對低成本的需求和電動汽車運行時大負(fù)載的工況，轉(zhuǎn)子磁極分段數(shù)設(shè)置為兩段。以一臺小型電動汽車用10千瓦8極48槽永磁同步電機(jī)作為原始電機(jī)，闡述了這兩種方法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)矩脈動抑制原理。建立了原始電機(jī)、斜槽電機(jī)和兩段轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)的有限元模型，廣泛地比較了它們在齒槽轉(zhuǎn)矩、反電動勢、-電感、磁阻轉(zhuǎn)矩和瞬態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩等方面的電磁性能。此外，建立了上述幾種電機(jī)的多物理場模型，對其激振力分布、模態(tài)屬性進(jìn)行了計算與分析，并基于這些信息對電機(jī)的振動響應(yīng)進(jìn)行了計算與比較。最后，制作了使用定子斜槽方法和轉(zhuǎn)子磁極分段方法的10千瓦8極48槽V型永磁同步電機(jī)樣機(jī)，并通過試驗測試對兩電機(jī)的性能進(jìn)行了全面的分析與比較。

2 結(jié)構(gòu)與原理分析

以一臺小型電動汽車用10千瓦8極48槽V型內(nèi)置式永磁同步電動機(jī)作為原始電機(jī)，比較定子斜槽和轉(zhuǎn)子磁極分段兩種方法的性能，圖1和表1給出了原始電機(jī)的詳細(xì)尺寸。基于該原始電機(jī)的定子斜槽電機(jī)和轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)如圖2所示，為獲得最低的加工成本，轉(zhuǎn)子磁極分段的轉(zhuǎn)子段數(shù)設(shè)置為2。其中，通用化的定子斜槽角度和轉(zhuǎn)子分段交錯角度已標(biāo)注于圖2中，st為斜槽傾斜角度，s為轉(zhuǎn)子分段相鄰兩段轉(zhuǎn)子的交錯角度，為定子槽數(shù)，為轉(zhuǎn)子分段電機(jī)的轉(zhuǎn)子段數(shù)。依據(jù)原始電機(jī)的規(guī)格參數(shù)和定子斜槽/轉(zhuǎn)子磁極分段的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，可確定該兩種電機(jī)的幾何參數(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 原始電機(jī)尺寸標(biāo)注圖

表1 原始電機(jī)的幾何尺寸參數(shù)

圖2 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

定子斜槽方法和轉(zhuǎn)子磁極分段方法對轉(zhuǎn)矩脈動的抑制是通過減小齒槽轉(zhuǎn)矩和齒諧波實現(xiàn)的。以定子斜槽方法為例進(jìn)行說明，其對齒槽轉(zhuǎn)矩和齒諧波的削弱原理分別如圖3和圖4所示。通過微元法的思想，將斜槽電機(jī)沿軸向等分為無數(shù)個薄片單元電機(jī)微元，則電機(jī)總體的電磁性能將等于各單元電機(jī)的和。從圖3中可以看出，斜槽電機(jī)分成單元電機(jī)后，由于定子槽傾斜一個齒距，各單元電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩相位不同，當(dāng)各單元電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩求和時，齒槽轉(zhuǎn)矩總和理論值為0；圖4則表明，由于斜槽的影響，繞組在傾斜槽內(nèi)恰好對應(yīng)齒諧波磁場的一個周期，因此在一根傾斜導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)的齒諧波電動勢可在繞組內(nèi)自行抵消。對于圖2中的兩種方法，轉(zhuǎn)子磁極分段方法的優(yōu)勢體現(xiàn)在使用直槽定子所帶來的更低的制造與加工成本，而定子斜槽方法的優(yōu)勢體現(xiàn)在能夠更徹底地消除齒槽轉(zhuǎn)矩和齒諧波電動勢，理論上具有更加良好的轉(zhuǎn)矩脈動和電磁振動抑制效果。

圖3 斜槽電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩削弱原理

圖4 斜槽電機(jī)齒諧波電動勢削弱原理

3 電磁性能對比與評估

為評估不同的工程設(shè)計方法對電動汽車驅(qū)動電機(jī)性能的影響，建立了原始電機(jī)、斜槽電機(jī)和轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)共三種電機(jī)的模型，廣泛地對比了包括齒槽轉(zhuǎn)矩、反電動勢、-/-軸電感、磁阻轉(zhuǎn)矩和瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的電磁性能，并在仿真中考慮了電動汽車實際驅(qū)動控制下對電機(jī)性能影響。

3.1 空載電磁性能比較

齒槽轉(zhuǎn)矩和齒諧波電動勢是永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的主要因素，其中齒槽轉(zhuǎn)矩對空載或輕載狀態(tài)的輸出轉(zhuǎn)矩具有較大影響，而齒諧波電動勢對額定負(fù)載及過載狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩影響更大。圖5比較了上述三種電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩波形，結(jié)果表明定子斜槽方法與轉(zhuǎn)子磁極分段方法均對齒槽轉(zhuǎn)矩有顯著的削弱效果，且斜槽電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值最小。此外，轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的周期與轉(zhuǎn)子段數(shù)有關(guān)，圖5中轉(zhuǎn)子分為兩段的磁極分段電機(jī)在一個齒距內(nèi)有兩個齒槽轉(zhuǎn)矩周期，而斜槽電機(jī)和原始電機(jī)均只有一個齒槽轉(zhuǎn)矩周期，該因素會引發(fā)高階轉(zhuǎn)矩脈動，降低磁極分段電機(jī)的控制性能尤其是空載控制性能。圖6對比了三種電機(jī)在3 000 r/min下的空載線反電動勢波形，其各階次諧波含量同樣列于圖6中。使用斜槽方法或磁極分段方法改進(jìn)原始電機(jī)后，反電動勢基波分量輕微下降，而1階齒諧波分量(11次與13次)大幅下降。此外，轉(zhuǎn)子分為兩段的磁極分段電機(jī)對二階齒諧波(23次與25次)沒有削弱效果，而斜槽電機(jī)的二階齒諧波分量能被有效地削弱。

圖5 齒槽轉(zhuǎn)矩對比

圖6 3 000 r/min下的線反電動勢對比

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可表示為

式中，p為轉(zhuǎn)子的極對數(shù)，Tf為永磁轉(zhuǎn)矩分量，Tr為磁阻轉(zhuǎn)矩分量，ψ和L分別代表磁鏈和電感。其中，永磁轉(zhuǎn)矩分量Tf的值可由基波反電動勢的幅值確定，而圖6中三種電機(jī)相近的基波反電動勢波形表明它們具有相近的永磁轉(zhuǎn)矩分量。從式(1)中可知，不同的d-/q-軸電感差值將會影響磁阻轉(zhuǎn)矩分量的幅值，進(jìn)而影響電磁轉(zhuǎn)矩的幅值。圖7對比了三臺電機(jī)的d-/q-軸電感，其結(jié)果表明斜槽電機(jī)和轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)具有相同的電感，結(jié)合對永磁轉(zhuǎn)矩分量的分析，可以推斷斜槽電機(jī)和轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)將具有同樣的轉(zhuǎn)矩輸出能力(轉(zhuǎn)矩密度)。

3.2 負(fù)載電磁性能對比與評估

轉(zhuǎn)矩性能是電動汽車永磁驅(qū)動電機(jī)最重要的電磁屬性之一，它將直接決定電動汽車的一些極限性能參數(shù)。圖8和圖9分別對比了上述三種電機(jī)在單相繞組施加120 A直流電流時的磁阻轉(zhuǎn)矩與矩角特性，其關(guān)鍵數(shù)據(jù)列于表2中。結(jié)果表明，通過定子斜槽或轉(zhuǎn)子磁極分段方法改進(jìn)原始電機(jī)后，磁阻轉(zhuǎn)矩平均值基本不變，而矩角特性的平均值略有下降，結(jié)合圖4和圖6中對于反電動勢的結(jié)論，可以確定使用斜槽或磁極分段方法后，轉(zhuǎn)矩輸出能力的下降是永磁轉(zhuǎn)矩下降導(dǎo)致的。此外，轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出平均值略高于斜槽電機(jī)，且具有一定的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩紋波。

圖8 磁阻轉(zhuǎn)矩對比

圖9 矩角特性對比

表2 磁阻轉(zhuǎn)矩與矩角特性關(guān)鍵數(shù)據(jù)

圖10和圖11對比了不同供電方式下的電機(jī)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩波形。在圖10中，供電方式為三相電機(jī)繞組通入三相對稱電流；而在圖11中，供電方式為電動汽車驅(qū)動中廣泛使用SVPWM調(diào)制的FOC控制方法，且拖動額定負(fù)載運行，其原理如圖12所示。兩種供電方式下的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩波形的關(guān)鍵數(shù)據(jù)列于表3中。結(jié)果表明，在兩種不同的供電方式下，兩種方法均能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動，且斜槽電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動略小于磁極分段電機(jī)。然而，當(dāng)逆變器供電，使用SVPWM FOC控制方式拖動額定負(fù)載時，轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)的轉(zhuǎn)矩范圍與斜槽電機(jī)非常接近。考慮到電動汽車實際運行中驅(qū)動電機(jī)大負(fù)載、大慣量的運行特點，兩種電機(jī)的電磁性能基本相同。此外，拖動相同負(fù)載的情況下，轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)比斜槽電機(jī)具有更低的基波電流分量，如圖13所示，這有利于提升驅(qū)動系統(tǒng)效率，提高電動汽車?yán)m(xù)航里程。

圖10 注入三相對稱電流時的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩

圖11 SVPWM FOC下的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩

圖12 永磁同步電機(jī)的矢量控制原理

表3 瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩關(guān)鍵數(shù)據(jù)

圖13 SVPWM FOC拖動額定負(fù)載時的電流

4 振動響應(yīng)的預(yù)測與比較

定子斜槽方法和轉(zhuǎn)子磁極分段方法是電動汽車驅(qū)動電機(jī)行業(yè)常用的減振方法。這兩種方法不僅可以通過降低轉(zhuǎn)矩脈動來降低電磁振動，還可以降低電機(jī)的零階徑向力波分量。以斜槽方法為例，采用斜槽后，沿軸向的零階徑向力的平均值可用式(2)表示，P、P0分別為原始電機(jī)和斜槽電機(jī)的零階徑向力平均值

式中，為諧波極對數(shù)，sk為斜槽的距離，為轉(zhuǎn)子半徑，1為定子槽數(shù)，1為定子齒距。

圖14給出了斜槽電機(jī)和磁極分段電機(jī)的徑向力密度，可以直觀地看出結(jié)構(gòu)改變對徑向力密度的影響。圖15對比了轉(zhuǎn)速3 000 r/min下的徑向力譜分布，可以看出各次主階徑向力波分量有效地被定子斜槽或轉(zhuǎn)子磁極分段方法削弱，而且沒有導(dǎo)致其他階次徑向力波出現(xiàn)增長。建立了上述三種電機(jī)的多物理場模型以預(yù)測并比較電機(jī)的振動響應(yīng)。計算了使用的兩種類型定子(直槽定子、斜槽定子)的模態(tài)振型與頻率，其結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明齒的改變對定子鐵心的模態(tài)頻率影響十分有限，斜槽定子的模態(tài)頻率與直槽定子基本相同。將電磁場中計算出的激振力導(dǎo)入多物理場模型中，結(jié)合在多物理場中計算出的定子系統(tǒng)模態(tài)屬性，計算了上述三種電機(jī)在空載3 000 r/min下的振動響應(yīng)，其結(jié)果如圖16所示，其中振動加速度為定子系統(tǒng)軛部的平均振動加速度。相較于原始電機(jī)，斜槽電機(jī)和轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)的振動響應(yīng)等級明顯下降。此外，轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)的減振效果略低于斜槽電機(jī)，這與圖15中的徑向力計算結(jié)果相符。

圖14 徑向力密度

圖15 3 000 r/min下的徑向力譜分布

表4 兩種類型定子的模態(tài)振型與頻率

圖16 3 000 r/min下的空載振動響應(yīng)對比

5 樣機(jī)制作與試驗測試

基于圖1、圖2和表1中的參數(shù)分別制作了定子斜槽電機(jī)、轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)兩臺電機(jī)的10千瓦 8極48槽V型內(nèi)置式永磁同步電機(jī)樣機(jī)，并通過廣泛的試驗測試驗證上述分析與比較。兩樣機(jī)的組裝圖如圖17所示。測得的3 000 r/min下的空載線反電動勢如圖18所示，由于二階齒諧波(23次與25次)未被有效削弱，轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)的反電動勢有明顯的紋波。此外，受加工、安裝和端部效應(yīng)等工程誤差的影響，斜槽電機(jī)和轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)中仍具有一定幅值的一階齒諧波(11次與13次)，且無法削弱至仿真中的比例。

圖17 樣機(jī)組裝圖

圖18 兩樣機(jī)線反電動勢測試值對比

圖19比較了測得的兩樣機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩結(jié)果，斜槽電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩峰值略小于轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)，兩電機(jī)之間測得的齒槽轉(zhuǎn)矩的峰值之差小于仿真結(jié)果。此外，轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)在一個齒距內(nèi)具有兩個齒槽轉(zhuǎn)矩周期，這與仿真結(jié)果一致。對兩樣機(jī)的單相繞組注入120 A的直流電流，并測試了該狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子位置的變化曲線，其結(jié)果如圖20所示，其關(guān)鍵數(shù)據(jù)列于表5中。由于疊壓效應(yīng)、端部效應(yīng)等因素，實測的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩小于圖9中的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果。此外，可以看出轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩波形具有明顯的紋波。

圖19 兩樣機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩測試值對比

圖20 單相120 A直流電流下測得的矩角特性

表5 矩角特性與瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩測試值關(guān)鍵數(shù)據(jù)

圖21給出了在SVPWM FOC方法下電機(jī)拖動額定負(fù)載時的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩波形，其關(guān)鍵數(shù)據(jù)列于表5中。對應(yīng)狀態(tài)下的電機(jī)電流列于圖22中。結(jié)果表明，斜槽電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動較小，但是其輸出單位轉(zhuǎn)矩所需的電流大于轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)。此外，磁極分段電機(jī)和斜槽電機(jī)的電流波形均具有較好的正弦性。

圖21 SVPWM FOC下樣機(jī)拖動額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩測試值

圖22 SVPWM FOC下樣機(jī)拖動額定負(fù)載電流測試值

6 結(jié)論

本文對電動汽車驅(qū)動電機(jī)工程中常用的兩種轉(zhuǎn)矩脈動和電磁振動的抑制方案進(jìn)行了性能對比與評估。通過有限元仿真與樣機(jī)試驗，得到了以下結(jié)論。

(1) 相較于轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)，斜槽電機(jī)具有更平滑的輸出轉(zhuǎn)矩曲線，然而其輸出單位轉(zhuǎn)矩所需的電流幅值更大。

(2) 斜槽電機(jī)和轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)對電磁振動均有一定的抑制效果，兩種方法的振動等級基本相同，且顯著低于原始電機(jī)。

(3) 加工、裝配和疊壓等因素會降低轉(zhuǎn)矩脈動的抑制效果，且工程加工誤差對斜槽電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動抑制的影響更大。

(4) 轉(zhuǎn)子磁極分段電機(jī)使用直槽定子，在定子加工中不需要使用特殊的夾具且繞線方便，電機(jī)制造加工成本更低。

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Research on Different Design Approaches to Mitigate Torque Ripple and Electromagnetic Vibration for High-performance Electric Vehicle Traction Machine

WANG Daohan PENG Chen WANG Xiuhe

(School of Electrical Engineering, Shandong University, Jinan 250061)

Torque ripple and vibration are two leading limiting factors for interior permanent magnet (IPM) machines using in electric vehicles (EVs). At present, the skewing slots and segmented rotor methods are favored by EV traction motor manufacturers. These two methods are comprehensively analyzed and compared to provide technical reference for the torque ripple and electromagnetic vibration suppression of high-performance EV permanent magnet motors, especially IPM machines.Extensive performance comparisons in terms of cogging torque, back-EMF, reluctance torque, and instantaneous torque, are carried out. Besides, multi-physical field coupling models are established to compare the vibration properties including exciting force, modal frequencies, and vibration response. Finally, the skewing slot machine and segmented rotor machine are prototyped, and extensive experimental tests are done to verify the validity and reliability of the analysis and comparison.The research results indicate that the segmented rotor machine can achieve the same force quality as that of the skewing slot machine and greatly reduce the electromagnetic vibration. Besides, the application of the segmented rotor approach is not limited by the axial length, and it has a lower processing cost.

Electric vehicle traction system；interior permanent magnet (IPM) machine；electromagnetic vibration；torque ripple

10.11985/2021.04.006

TM351

* 山東省自然科學(xué)基金資助項目(ZR2019JQ20)。

20210615收到初稿，20210927收到修改稿

王道涵(通信作者)，男，1980年生，教授，博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向為新能源電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與控制。E-mail：dhwang@sdu.edu.cn

彭晨，男，1994年生，博士研究生。主要研究方向為新能源電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與控制。E-mail：pengchen@mail.sdu.edu.cn

王秀和，男，1967年生，教授，博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向為永磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)及其設(shè)計。E-mail：wangxhpmsm@163.com