考慮電工鋼應力磁特性的電動汽車電磁性能仿真計算*

黃蘇融，　徐志祥，　張　琪，　曹海東，　董小飛

(1. 上海大學 機電工程與自動化學院，上海　200072； 2. 上海機動車檢測中心,上?！?01805)

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黃蘇融1，徐志祥1，張琪1，曹海東1，董小飛2

(1. 上海大學 機電工程與自動化學院，上海200072； 2. 上海機動車檢測中心,上海201805)

摘要：針對汽車電機電工鋼的應用技術和電磁性能模擬技術，開展電工鋼的鐵耗與電工鋼應力-磁特性的研究，分析了剪切應力對電工鋼片磁特性的影響，并提出考慮電工鋼剪切應力的磁特性曲線擬合公式。然后基于電工鋼的應力-磁特性，采用JMAG軟件，建立了電動汽車用IPM永磁驅動電機電磁仿真模型。計算分析了該模型下的電磁性能，并與傳統(tǒng)電磁模型仿真結果進行比較。

關鍵詞:電工鋼； 應力； 損耗； JMAG

0引言

電機鐵心在沖片過程中會在電工鋼片沖剪邊緣產生殘余應力，應力會導致電工鋼片磁特性的下降，進而引起電機性能的下降和損耗的增加。直接使用電工鋼廠家提供的電工鋼性能參數(shù)會引起較大的誤差，所以在電機設備的設計過程中就應該考慮到電工鋼片的這種特性[1]。

人類對于電機電工鋼應力-磁特性的研究已有幾十年的歷史，近幾年來，隨著測試方法與仿真手段的提高又有了新的突破。2004年，Keisuke Fujisaki認識到電工鋼片的磁性能會受到壓應力的影響，考慮應力的數(shù)值電磁計算是通過有限元的方法進行的(把每個單元中的應力視為磁導率)。將此方法應用于不同應力分布的電機中，以此評估方法的有效性。鐵耗的分布幾乎由應力的分布決定；與沒有應力相比，鐵耗增加的區(qū)域就是受壓應力的區(qū)域；磁通趨于沒有應力的區(qū)域；在應力作用下鐵耗趨于增加；電工鋼片的B-P曲線的特性會更差[2]。2013年,Zbigniew Gmyrek等提出了一種新的理論方法來評估沖壓工藝導致的電工鋼材料的破壞區(qū)域磁性能及其寬度[3]。

本文首先使用上海大學高密度永磁電機實驗室設計的電工鋼應力-磁性能測試平臺，測試獲得大量的考慮剪切應力的電工鋼材料磁特性數(shù)據(jù)并進行了比較分析。提出考慮電工鋼剪切應力的曲線擬合公式，基于JMAG仿真平臺建立考慮電工鋼剪切應力的IPM電機電磁性能仿真模型，仿真計算IPM電機鐵心損耗，并與試驗值進行比較。

1加工殘余應力對電工鋼電磁性能影響研究

冷軋電工鋼片經剪切加工后，沿剪切分離線的邊緣由于塑性形變引起了內部應力的積聚和物理性能的變化，從而導致冷軋硅鋼片的導磁性能降低、鐵耗增加。

1.1加工殘余應力對電工鋼電磁性能影響

為研究電工鋼片的剪切形變與磁特性之間的關系曲線，本文使用單片電工鋼測量儀SST測試由剪切得到的不同寬度電工鋼片電磁性能。測試用電工鋼牌號為B35AV1900，所測試的電工鋼樣片寬度分別為5mm、10mm、20mm。

圖1所示為測量得到的樣片寬度分別為5mm、10mm、20mm的電工鋼片B-H和B-P曲線。分析可知，對于剪切的電工鋼片試樣，其磁通密度達到所期望的Bm時所需要的H隨著試樣寬度的減小而增大。即產生相同的磁密B，5mm時所需的磁場強度H最大，10mm次之，20mm最小。同時，隨著測試樣片寬度的減小，相同磁場條件下的電工鋼單位損耗值上升。

1.2考慮剪切的電工鋼片磁參數(shù)曲線擬合

剪切后的電工鋼片邊緣惡化區(qū)域內，材料的磁密降低，損耗增加，如不予以考慮，將嚴重影響電機鐵耗計算的準確性。因此評估計算剪切后電工鋼片邊緣的惡化區(qū)域的寬度，以及測試確定惡化區(qū)域內材料的電磁性能，是分析研究電工鋼剪切應力影響的關鍵。但是剪切后的邊緣惡化區(qū)域的寬度還沒有確切的測算方法，主要是因為惡化邊緣的寬度與晶粒的大小、材料的紋理、測量方法和切割方法(沖壓、剪切等)等因素有關[4-11]。

圖1　不同寬度電工鋼片的磁特性比較

剪切對電工鋼片磁特性的影響可近似由圖2所示的電工鋼模型來模擬。圖2中將平放的電工鋼片分為區(qū)域A和區(qū)域B兩部分，其中A為由于剪切加工而發(fā)生惡化的區(qū)域，B為未發(fā)生剪切加工惡化的區(qū)域?？梢钥闯?，在相同磁場條件下，區(qū)域A內的磁通密度明顯小于區(qū)域B。不同的電工鋼材料及剪切方法產生不同占比的區(qū)域A和區(qū)域B，就導致使B-H曲線和B-P曲線測量結果較理想電工鋼磁性能有不同的偏差。

圖2　沖剪造成的磁通偏移

由于剪切后的磁參數(shù)與被剪切的電工鋼片的寬度有關，且惡化區(qū)域的寬度相對固定，故隨著被剪切的電工鋼片的寬度增加，未發(fā)生剪切加工惡化的區(qū)域B所占的比例越大，剪切后電工鋼的惡化區(qū)域A對電工鋼片的影響就越小。測量得到的不同寬度電工鋼片的磁性能數(shù)據(jù)后，可使用式(1)計算被剪切的電工鋼片的平均磁參數(shù)，從而模擬剪切后的不同寬度的電工鋼磁參數(shù)。

(1)

式中：li——需要求解磁參數(shù)的電工鋼寬度；

l1、l2——相鄰的已測電工鋼寬度；

f(l1)、f(l2)——對應磁密下l1、l2的磁參數(shù)；

f(li)——需求的li的磁參數(shù)。

2考慮殘余應力的電機鐵心電磁性能擬合

在考慮沖剪殘余應力的電磁仿真計算中，由于無法準確確定惡化區(qū)域范圍及惡化區(qū)域的電磁性能，故將邊緣惡化區(qū)域的性能和未惡化區(qū)域的性能做綜合等效。所以本文在進行電工鋼片殘余應力的仿真分析時，將電機的定子齒、定子軛和轉子分別用不同寬度的擬合磁特性曲線近似等效。

圖3　考慮沖剪邊緣效應的電機鐵芯磁特性擬合

本文以一臺48槽8極的汽車驅動IPM電機為例，其電機定子軛寬度為14mm，轉子寬度為27.6mm，定子齒寬度為6.54mm。使用已知的5mm、10mm和20mm寬度的電工鋼磁性能數(shù)據(jù)，使用式(1)分別擬合14mm、27.6mm和6.54mm寬度的電工鋼磁特性曲線如圖3所示。擬合后的磁參數(shù)曲線即作為仿真時的電機定子軛、定子齒和轉子的磁參數(shù)。

3考慮電工鋼殘余應力的電機仿真分析

3.1有限元建模

使用JMAG有限元仿真軟件，將電機定子分為齒部和軛部兩部分，按照鐵心實際寬度分別設置鐵心材料電磁參數(shù)并剖分網(wǎng)格，建立考慮電工鋼沖剪應力影響的電機仿真模型。有限元仿真模型如圖4所示。

圖4　考慮剪切殘余應力的電機有限元模型

3.2電磁性能仿真與比較

使用B35AV1900型電工鋼片作為電機鐵心材料，仿真比較未考慮剪切殘余應力電磁仿真模型和考慮剪切殘余應力的仿真模型。設置仿真條件為負載電流值為270A，電流角為38°，運動轉速均設為3000r/min。圖5和圖6分別為空載反電勢和氣隙磁密空間波形比較。

對比圖5和圖6可知，兩模型的空載反電勢、氣隙磁密空間波形基本一致。因為影響電機磁路及氣隙磁密的鐵心惡化區(qū)域主要為轉子的邊緣、定子齒的極靴以及定子軛的邊緣，相對氣隙磁阻

圖5　空載反電勢波形對比

圖6　氣隙磁密波形對比

在鐵心磁路中所占的比例較小，所以對電機的空載反電勢和氣隙磁密影響較小。

分析圖7可知，相對未考慮剪切殘余應力電機仿真模型，考慮電工鋼剪切殘余應力影響的電機仿真模型的電機定轉子鐵心平均磁密較低，其中以定子鐵心齒部、軛部和轉子鐵心外圓側最明顯。

圖7　兩種模型的磁密云圖對比分析

仿真計算兩種模型的空載和負載情況下的損耗情況匯總如圖8所示?？梢钥闯觯鄬ξ纯紤]剪切殘余應力電機仿真模型，考慮電工鋼剪切殘余應力影響的電機仿真模型空載時定子軛損耗上升6.6%，定子齒損耗上升21%，總損耗約上升10%；負載時，惡化模型與無惡化模型相比定子軛損耗上升14.7%，定子齒損耗上升42.3%，總損耗上升23.4%。這是由于電機鐵心沖剪邊緣殘余應力致使電工鋼材料單位損耗增加，進而造成定子鐵心損耗上升。另外因為轉子損耗占比較小，誤差較大，故本文不再分析。

圖8　兩種模型的定子鐵心鐵耗對比分析

4結語

本文基于電工鋼應力-磁性能研究，使用JMAG仿真軟件，建立了考慮電工鋼剪切殘余應力的電機電磁仿真模型，并進行仿真分析。仿真結果表明： 考慮電工鋼剪切殘余應力影響的電機仿真模型相對未考慮剪切殘余應力電機仿真模型，電機空載反電勢和氣隙磁密波形變化不大，鐵心磁場密度降低，空載和負載情況下定子鐵心損耗分別增加10%和23.4%，更加貼近電機的實際情況。

【參 考 文 獻】

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Considering the magnetic properties and stress of electrical steel-electric

car electromagnetic performance simulation calculation

HUANGSurong1*,XUZhixiang1,ZHANGQi1,CAOHaidong1,DONGXiaofei2

(1. Mechanical Engineering and Automation Institute, Shanghai University, Shanghai 200072, China;

2. Shanghai Motor Vehicle Inspection Center, Shanghai 201805,China)

Abstract：First, this paper aimed at the application technology of the motor vehicle electrical steel and electromagnetic performance simulation technology, carry out research of electrical steel iron loss, stress and magnetic properties of electrical steel, analysis of the shear stress influence on magnetic properties of electrical steel piece, and put forward considering the magnetic properties of electrical steel shear stress curve fitting formula.Then based on the stress and the magnetic properties of electrical steel, using JMAG software, the electromagnetic simulation model of IPM permanent magnet motor for electric vehicle is established. The electromagnetic properties of the motor are calculated and analyzed, and the simulation results are compared with the traditional electromagnetic model.

Key words：Electrical steel; stress; loss; JMAG

收稿日期：2015-06-10

中圖分類號：TM 303

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)01- 0083- 05

作者簡介：黃蘇融(1953—)，男，教授，研究方向為電機及其應用控制。通訊作者為黃蘇融。

*基金項目：國家863高技術研究發(fā)展計劃(2012AA111302);上海市科委科技攻關項目(11521100503)