電動汽車用定子永磁型磁通記憶式游標(biāo)電機(jī)性能分析*

葛葉明， 朱孝勇,， 陳 龍

(1. 江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2. 江蘇大學(xué) 汽車工程研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

隨著全球石油資源緊張、大氣污染嚴(yán)重，電動汽車越來越受到廣泛的關(guān)注，電動汽車用驅(qū)動電機(jī)應(yīng)具有高效率、高功率密度、寬調(diào)速范圍和低速大轉(zhuǎn)矩等特性。長期以來，電動汽車用電機(jī)通過配備機(jī)械變速箱實(shí)現(xiàn)低速和高轉(zhuǎn)矩，但是由于機(jī)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(shù)得到了快速發(fā)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(hù)、高轉(zhuǎn)矩密度等優(yōu)點(diǎn)越來越受到關(guān)注[1-3]。最近，通過游標(biāo)結(jié)構(gòu)來獲得“磁齒輪效應(yīng)”的永磁游標(biāo)電機(jī)引起了廣泛關(guān)注[4-7]，該電機(jī)將用于磁場調(diào)制的調(diào)制鐵心與定子齒相結(jié)合，有效降低了電機(jī)的氣隙層數(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，減少了制造的困難和成本，另外該類電機(jī)還具備低速大轉(zhuǎn)矩特性，能滿足電動汽車等直驅(qū)式應(yīng)用場合的要求。

相比其他電動汽車用電機(jī)，定子永磁型電機(jī)具有高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)[8],在永磁體散熱、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面具有一定優(yōu)勢,但由于永磁材料的固有特性，電機(jī)內(nèi)氣隙磁場基本保持恒定，作電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，調(diào)速范圍有限，限制了恒功率高速運(yùn)行，在電動汽車等需寬調(diào)速運(yùn)行場合的應(yīng)用受到一定的限制[9]。定子永磁型混合勵(lì)磁電機(jī)[10-14]，引入電勵(lì)磁繞組，通過改變勵(lì)磁電流的大小和方向?qū)崿F(xiàn)電機(jī)氣隙磁場的靈活調(diào)節(jié)與控制，能有效拓寬電機(jī)的調(diào)速范圍，但持續(xù)的勵(lì)磁電流會產(chǎn)生額外的勵(lì)磁繞組銅耗，使得電機(jī)在高速區(qū)的運(yùn)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(jī)即磁通可控式永磁電機(jī)[15-16]，記憶的概念主要是基于永磁電動機(jī)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(shí)間內(nèi)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(dá)到了簡單、有效地調(diào)節(jié)電動機(jī)內(nèi)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(diǎn)，另外為得到較高的力能指標(biāo)，永磁體的剩磁應(yīng)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(jī)的首選材料之一。

本文將定子永磁型磁通記憶電機(jī)與游標(biāo)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提出了一種新型定子永磁型磁通記憶式游標(biāo)(Stator Permanent Magnet Flux-Mnemonic Vernier, SPM-FMV)電機(jī)。該電機(jī)采用了可在線充、去磁的鋁鎳鈷永磁體，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)磁場的調(diào)節(jié)與控制。電機(jī)高速時(shí)可采取弱磁控制，有效拓寬了調(diào)速范圍；另外，為獲得低速大轉(zhuǎn)矩性能，電機(jī)外層定子上增加了調(diào)制齒，形成具備“磁齒輪效應(yīng)”的新型游標(biāo)電機(jī)結(jié)構(gòu)。本文討論了該電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，采用分段線性磁滯模型和有限元相結(jié)合的方法，分析了電機(jī)的電磁性能，還討論了電機(jī)的動態(tài)驅(qū)動性能。研究表明，該電機(jī)具有寬調(diào)速范圍和低速大轉(zhuǎn)矩的特性。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

新型SPM-FMV電機(jī)的結(jié)構(gòu)截面圖如圖1所示。該電機(jī)外轉(zhuǎn)子無繞組，也無永磁體，結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械強(qiáng)度高，可用作車輛輪轂電機(jī)，減少了中間傳動環(huán)節(jié)，提高了轉(zhuǎn)矩傳遞效率。其內(nèi)層定子采用分層結(jié)構(gòu)，定子內(nèi)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(jìn)行在線調(diào)磁，磁場調(diào)節(jié)手段簡單、直接；外層定子采用多齒式游標(biāo)結(jié)構(gòu)，通過在每個(gè)定子齒外延集成3個(gè)調(diào)制齒，實(shí)現(xiàn)對氣隙磁場的調(diào)制，調(diào)制出相應(yīng)的磁場諧波分量，實(shí)現(xiàn)能量和轉(zhuǎn)矩的傳遞?？梢?，調(diào)制齒的基本原理和同軸磁性齒輪調(diào)磁環(huán)上的調(diào)磁塊相類似[17]，通過采用調(diào)制齒和轉(zhuǎn)子齒的不同配比，能實(shí)現(xiàn)電機(jī)磁場按一定的比例調(diào)制和電機(jī)的變速運(yùn)行。

圖1 新型SPM-FMV電機(jī)結(jié)構(gòu)截面圖

與共軸磁性齒輪和永磁游標(biāo)電機(jī)相似[2-5]，SPM-FMV電機(jī)滿足：

pr=Ns-ps

(1)

式中:pr——轉(zhuǎn)子極數(shù)；

Ns——調(diào)制齒的齒數(shù)；

ps——電樞繞組等效極對數(shù)。

根據(jù)磁齒輪的基本原理，電機(jī)電樞繞組旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比值Gr為

(2)

式中：m=1，3，5，…，∞；k=0，±1，±2，±3，…，±∞。對SPM-FMV電機(jī)來說，為產(chǎn)生最高次的異步空間諧波，取m=1，k=-1；由于該電機(jī)是12/8極雙凸極永磁(Doubly Salient Permanent Magnet， DSPM)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[18-19]，根據(jù)DSPM電機(jī)的基本運(yùn)行原理，電機(jī)的轉(zhuǎn)子極數(shù)和電樞繞組等效極對數(shù)相等，即ps=8，則當(dāng)每個(gè)定子極上分裂出3個(gè)調(diào)制齒，則調(diào)制齒總數(shù)目Ns= 36。根據(jù)式(1)，可得到轉(zhuǎn)子極數(shù)pr= 28。根據(jù)式(2)可以得到轉(zhuǎn)速比Gr為-7∶2 ，即電樞繞組旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的3.5 倍，而旋轉(zhuǎn)方向相反。當(dāng)定子電樞繞組通以三相50Hz交流電時(shí)，因?yàn)殡姌欣@組等效極對數(shù)為8，可產(chǎn)生375r/min的旋轉(zhuǎn)磁場，根據(jù)轉(zhuǎn)速比Gr為-7∶2 ，可得到轉(zhuǎn)子在相反方向上的轉(zhuǎn)速會降到107r/min。

相比傳統(tǒng)定子永磁型電機(jī)[9]，SPM-FMV電機(jī)的特點(diǎn)有： (1) 電機(jī)只有1個(gè)氣隙，比一般磁齒輪永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，而后者有3個(gè)或2個(gè)氣隙[20]；(2) 外轉(zhuǎn)子是無繞組、無永磁體的凸極結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)械強(qiáng)度高，可與電動汽車車輪直接集成，形成輪轂電機(jī)；(3) 由于磁化電流作用時(shí)間較短(<1s)，與混合勵(lì)磁類永磁電動機(jī)相比，不存在調(diào)節(jié)磁通時(shí)所需的持續(xù)勵(lì)磁電流損耗，電機(jī)效率更高；(4) 電樞繞組和鋁鎳鈷永磁體分布在定子的內(nèi)外兩層，最大限度避免了電樞反應(yīng)對永磁體的影響；(5) 電機(jī)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(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，SPM-FMV電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可表示為

(3)

式中:W′(ip,θ)——磁共能;

TPM——電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩;

Tr——磁阻轉(zhuǎn)矩;

θ——轉(zhuǎn)子位置角;

k——磁通調(diào)節(jié)系數(shù);

ψPMmax——鋁鎳鈷永磁體滿磁化狀態(tài)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(diào)節(jié)系數(shù)k，能夠調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)氣隙磁場。當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)工作在k=1即滿磁狀態(tài)，能夠輸出高轉(zhuǎn)矩；當(dāng)電機(jī)恒功率高速運(yùn)行時(shí)，通過施加短時(shí)磁化電流脈沖，減小電機(jī)氣隙磁場強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)弱磁升速。

2 電磁性能

SPM-FMV原理樣機(jī)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。由于鋁鎳鈷永磁體磁化特性具有強(qiáng)非線性、多值性的特點(diǎn)，基于鋁鎳鈷永磁體實(shí)際的磁滯回線模型，采用分段線性磁滯模型與有限元時(shí)步法相結(jié)合的方法對其靜態(tài)和瞬態(tài)電磁性能進(jìn)行了仿真分析[21]。

表1 SPM-FMV原理樣機(jī)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)

SPM-FMV電機(jī)在k=1即滿磁狀態(tài)下不同轉(zhuǎn)子位置時(shí)的空載磁場分布如圖2所示。其中圖2(a)為轉(zhuǎn)子初始位置角θr=0°時(shí)的空載磁場分布。圖2(b)為轉(zhuǎn)子位置角θr=7.72°即旋轉(zhuǎn)了3/5極距的空載磁場分布。電機(jī)氣隙磁密被調(diào)節(jié)為滿磁狀態(tài)1/3時(shí)的不同轉(zhuǎn)子位置角的空載磁場分布如圖3所示?？煽闯?，每個(gè)定子極上的磁力線通過調(diào)制齒調(diào)節(jié)后通過氣隙和轉(zhuǎn)子又回到定子極上，從而達(dá)到了磁場調(diào)制的效果。比較兩個(gè)不同轉(zhuǎn)子位置的磁場分布可發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)相對較短的極距內(nèi)磁力線分布發(fā)生了很大變化，從而在低速運(yùn)行時(shí)得到高轉(zhuǎn)矩。另外，可看出k=1時(shí)電機(jī)的磁通密度明顯強(qiáng)于k=1/3時(shí)的磁通密度，驗(yàn)證了通過改變磁通調(diào)節(jié)系數(shù)k，可有效調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)氣隙磁場。

圖2 k=1時(shí)不同轉(zhuǎn)子位置下的空載磁場分布

圖3 k=1/3時(shí)不同轉(zhuǎn)子位置下的空載磁場分布

為進(jìn)一步驗(yàn)證電機(jī)的磁場調(diào)節(jié)能力，考查SPM-FMV電機(jī)在轉(zhuǎn)速為500r/min 時(shí)不同磁化狀態(tài)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(diào)節(jié)到75V，氣隙磁密幅值從0.3T調(diào)節(jié)到0.9T，證明通過在線調(diào)節(jié)鋁鎳鈷磁化程度能有效調(diào)節(jié)空載反電勢和氣隙磁密，且實(shí)現(xiàn)氣隙磁場的調(diào)節(jié)容易，電機(jī)可通過弱磁升速來獲得寬調(diào)速特性。盡管該電機(jī)采用了雙凸極結(jié)構(gòu)，由于在每個(gè)定子極上添加了調(diào)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(gè)峰值，這跟磁齒輪效應(yīng)原理相符。

圖4 不同磁化狀態(tài)下的反電勢波形

圖5 不同磁化狀態(tài)下的氣隙磁密分布

滿磁狀態(tài)下氣隙磁密對應(yīng)的空間諧波頻譜分析圖如圖6所示?？煽闯?，通過引入調(diào)制齒，能將電機(jī)氣隙磁密調(diào)制出幅值較高(接近0.9T)、磁極對數(shù)與轉(zhuǎn)子齒數(shù)相同(等于28)的諧波分量，從而通過磁齒輪效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速變比運(yùn)行。

圖6 空間諧波頻譜分析圖

由于該電機(jī)的空載反電勢不再呈現(xiàn)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(zhuǎn)速為500r/min下的轉(zhuǎn)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(shí)，SPM-FMV電機(jī)最大可提供45N·m的電磁轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩脈動為13.6%，明顯小于傳統(tǒng)的雙凸極電機(jī)[22]。

圖7 轉(zhuǎn)矩和電樞電流波形

3 動態(tài)特性

為驗(yàn)證SPM-FMV電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性及其基本驅(qū)動性能，考查該電機(jī)在不同給定轉(zhuǎn)速和不同給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的動態(tài)響應(yīng)，如圖8所示。在電樞電流限幅值為20A的條件下，初始給定負(fù)載為20N·m，不計(jì)負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量，電機(jī)在0.08s達(dá)到給定轉(zhuǎn)速500r/min，此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩42N·m；在0.12s時(shí)給定轉(zhuǎn)速突變?yōu)?50r/min，0.2s 給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?0N·m，電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩均能快速達(dá)到了給定值?？梢奡PM-FMV電機(jī)具有良好的動態(tài)響應(yīng)能力，能滿足電動汽車等頻繁變速運(yùn)行等工況的要求。

圖8 突變速度和突變負(fù)載下電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)

SPM-FMV電機(jī)采用了可在線充、去磁的鋁鎳鈷永磁材料，通過在線調(diào)節(jié)電機(jī)磁化繞組電流的大小和方向，能實(shí)現(xiàn)有效調(diào)節(jié)和控制電機(jī)的反電勢峰值。由于磁化繞組和勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩的存在，使得電機(jī)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(yùn)行工況的要求。

圖9 SPM-FMV電機(jī)起動響應(yīng)、充磁電流曲線

SPM-FMV電機(jī)起動響應(yīng)、充磁電流曲線如圖9所示。在相同的給定速度和負(fù)載條件下(給定轉(zhuǎn)速500r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩20N·m)，可看出，當(dāng)不施加充磁電流時(shí)，達(dá)到給定轉(zhuǎn)速需要0.08s；當(dāng)有充磁電流時(shí)，相同負(fù)載和轉(zhuǎn)動慣量下電機(jī)僅需要0.05s便達(dá)到相同的給定轉(zhuǎn)速。這表明電機(jī)起動時(shí)可通過施加充磁電流，縮短起動響應(yīng)時(shí)間，有效提高了電機(jī)動態(tài)響應(yīng)性能，能滿足電動汽車等起動、急加速等運(yùn)行工況的要求。

重載爬坡時(shí)，電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)曲線如圖10所示。首先給定負(fù)載20N·m，給定轉(zhuǎn)速500r/min起動，電樞電流限幅為20A，最大輸出轉(zhuǎn)矩為42N·m。由圖可見，電機(jī)在0.08s 時(shí)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，輸出轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩20N·m ，電樞電流也降為8A；在0.12s時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?7N·m，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和電樞電流立即增大到最大值，且此時(shí)最大輸出轉(zhuǎn)矩小于給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)出下降趨勢。磁化繞組的存在，為提供額外的正向磁化轉(zhuǎn)矩提供了可能。如圖10所示，在 0.16s時(shí)施加充磁電流，能產(chǎn)生與永磁轉(zhuǎn)矩方向一致的電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)總輸出轉(zhuǎn)矩隨之增加并達(dá)到給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速上升至 500r/min，電機(jī)重新達(dá)到平衡狀態(tài)。在0.3s，負(fù)載降為 20N·m，此時(shí)不需要充磁電流來產(chǎn)生正的電磁轉(zhuǎn)矩，也可滿足要求。可見，電機(jī)在已處于滿磁狀態(tài)下和最大轉(zhuǎn)矩輸出情況下，仍可通過施加充磁電流產(chǎn)生正的電磁轉(zhuǎn)矩，滿足電動汽車等運(yùn)行場合重載、加速或者爬坡時(shí)所需要的大轉(zhuǎn)矩要求。

圖10 重載爬坡時(shí)電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)曲線

進(jìn)一步驗(yàn)證了該電機(jī)的寬調(diào)速運(yùn)行性能。傳統(tǒng)混合勵(lì)磁電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)需要持續(xù)施加去磁勵(lì)磁電流，SPM-FMV電機(jī)可通過直流去磁脈沖電流來調(diào)節(jié)永磁體磁化狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了高速運(yùn)行時(shí)弱磁升速。弱磁運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和去磁脈沖電流曲線如圖11所示。給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為8N·m，起動時(shí)限流20A。由圖可知，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷升高，電機(jī)的反電勢和端電壓逐漸趨于平衡，電機(jī)能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速僅為1580r/min。當(dāng)在1s時(shí)施加2A 的去磁電流，轉(zhuǎn)速上升至2050r/min，實(shí)現(xiàn)了弱磁升速，可看出弱磁后的電磁轉(zhuǎn)矩波動減小。

圖11 弱磁運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和去磁脈沖電流曲線

4 結(jié) 語

本文將磁通記憶式電機(jī)概念和游標(biāo)結(jié)構(gòu)結(jié)合到定子永磁型電機(jī)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(biāo)電機(jī)，采用分段線性磁滯模型與有限元時(shí)步法相結(jié)合的方法對該電機(jī)的靜態(tài)和動態(tài)特性進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明，SPM-FMV電機(jī)能容易實(shí)現(xiàn)在線調(diào)節(jié)氣隙磁場，在低速運(yùn)行時(shí)能提供大轉(zhuǎn)矩，高速運(yùn)行可在線弱磁升速，并有效運(yùn)行在較寬的恒功率區(qū)，拓寬了調(diào)速范圍。所以，SPM-FMV電機(jī)在電動汽車驅(qū)動領(lǐng)域具有一定的可行性和應(yīng)用前景。

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