，，，

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

Design Simulation and Verification of Permanent Magnet Synchronous Motor of FSE Racing

FENG Yong，ANG Lin，WU Faliang，CHEN Nannan

(School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)

FSE賽車(chē)永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)仿真與驗(yàn)證

馮勇，陽(yáng)林，吳發(fā)亮，陳楠楠

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

Design Simulation and Verification of Permanent Magnet Synchronous Motor of FSE Racing

FENG Yong，ANG Lin，WU Faliang，CHEN Nannan

(School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)

摘要：驅(qū)動(dòng)電機(jī)是FSE賽車(chē)的機(jī)械動(dòng)力源，對(duì)賽車(chē)的參賽成績(jī)有重大影響。以FSE賽車(chē)為對(duì)象，設(shè)計(jì)了FSE賽車(chē)永磁同步電機(jī)，在Ansoft Maxwell電磁場(chǎng)分析軟件中創(chuàng)建電機(jī)模型，對(duì)電機(jī)的空載特性、額定負(fù)載特性進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證電機(jī)運(yùn)行的重要參數(shù)。將樣機(jī)裝配FSE賽車(chē)，按照大賽項(xiàng)目對(duì)賽車(chē)性能進(jìn)行實(shí)測(cè)，賽車(chē)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：賽車(chē)動(dòng)力性能優(yōu)異，電機(jī)設(shè)計(jì)成功，滿(mǎn)足賽車(chē)正式比賽爭(zhēng)先的要求。

關(guān)鍵詞：FSE賽車(chē)；永磁同步電機(jī)；Ansoft Maxwell；電磁場(chǎng)仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：U461.2;TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)03-0069-05

收稿日期：2014-06-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201211845008)

Abstract:Drive motor is a mechanical power source FSE car，and has a significant impact on the racing competition results. Based on research object FSE electric car，the permanent magnet synchronous motor of FSE racing car is designed. Then，in order to verify the operating parameters of the motor，a motor model in Ansoft electromagnetic field analysis software is created，and the motor load characteristics and performance characteristics at rated load are calculated. At last，the prototype is installed on the FSE racing car ，the power performance of the car is measuredaccording to project power performance testing racing contest. The results show that the racing car has excellent dynamic performance，and thedesign of the motor prototypemeet the requirements well.

作者簡(jiǎn)介：馮勇(1988-)，男，湖北麻城人，碩士研究生，研究方向?yàn)镕SAE賽車(chē)技術(shù)、電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)；陽(yáng)林(1966-)，男，廣東廣州人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)镕SAE賽車(chē)技術(shù)、電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)、車(chē)身模具CAD/CAE/CAM/VR。

Key words:FSE electric car；PMSM；ansoft maxwell；electromagnetic simulation

0引言

FSE(fomula student electric)為大學(xué)生電動(dòng)方程式汽車(chē)大賽，F(xiàn)SE大賽是在FSAE(fomula SAE)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，為FSAE大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽的一個(gè)分支。FSE大賽旨在為日益成熟的純電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)注入新鮮血液，帶領(lǐng)在校工程類(lèi)大學(xué)本科和研究生聚焦新能源電動(dòng)汽車(chē)板塊，培養(yǎng)電動(dòng)汽車(chē)人才。驅(qū)動(dòng)電機(jī)是FSE電動(dòng)賽車(chē)的機(jī)械動(dòng)力源，是賽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的核心，合理設(shè)計(jì)FSE電動(dòng)賽車(chē)的電機(jī)，可以很好地滿(mǎn)足賽車(chē)不同工況對(duì)速度和牽引力的要求，大大提升賽車(chē)的動(dòng)力性。

通過(guò)對(duì)FSE電動(dòng)賽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行研究，探索了一套適用于FSE賽車(chē)的電機(jī)選型、設(shè)計(jì)和仿真方法，并按此方法設(shè)計(jì)一臺(tái)適用于FSE賽車(chē)適用的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)，樣機(jī)實(shí)現(xiàn)裝配賽車(chē)，并對(duì)賽車(chē)的動(dòng)力性能進(jìn)行測(cè)試。

1驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型及設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.1　FSE賽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

目前，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)類(lèi)型主要有4種，即直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和交流異步電機(jī)。直流電機(jī)存在電刷，大功率直流電機(jī)質(zhì)量重、體積太大、電機(jī)造價(jià)高的問(wèn)題難以解決，而開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)存在運(yùn)行噪聲大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)嚴(yán)重且行駛平順性較差等缺點(diǎn)，故近年國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究類(lèi)型，主要為永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)。

相比于交流異步電機(jī)，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁體替代勵(lì)磁繞組，電機(jī)功率因數(shù)較高，電機(jī)的效率高，且功率密度可達(dá)交流異步電機(jī)的2倍以上，使得永磁同步電機(jī)體積緊湊重量輕，在此，電機(jī)設(shè)計(jì)選用永磁同步電機(jī)。

1.2　永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)

FSE賽車(chē)整備質(zhì)量處于150～400 kg之間，車(chē)身迎風(fēng)面積相對(duì)較小，采用空間桁架的車(chē)架形式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)后置后驅(qū)的整車(chē)結(jié)構(gòu)。賽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高性能磷酸鐵鋰電池組和傳動(dòng)系統(tǒng)組成。因賽車(chē)在賽道行駛速度不高，但頻繁處于加減速，故傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比設(shè)計(jì)較大，故采用兩級(jí)齒輪箱傳動(dòng)，總傳動(dòng)比為7。

以大賽規(guī)則和賽事特點(diǎn)出發(fā)確立賽車(chē)的動(dòng)力性能目標(biāo)，參考2012年中國(guó)FSAE大賽前五名車(chē)隊(duì)的賽車(chē)比賽成績(jī)及動(dòng)力性能，設(shè)定賽車(chē)設(shè)計(jì)指標(biāo)，即0～75 m直線(xiàn)加速時(shí)間小于4.5 s，最高車(chē)速高于100 km/h。以賽車(chē)動(dòng)力性能目標(biāo)為基礎(chǔ)，通過(guò)動(dòng)力性能參數(shù)理論計(jì)算并增加一定的裕量，確定電機(jī)的性能指標(biāo)，電機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1　永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)

2電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　主要尺寸的設(shè)計(jì)

永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要尺寸是指定子內(nèi)徑和鐵心有效長(zhǎng)度。電機(jī)的主要尺寸關(guān)系到電機(jī)的性能、尺寸大小和成本，是電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的重要計(jì)算內(nèi)容。作為FSE賽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)的大小直接影響到賽車(chē)的整車(chē)布置，為了提高電機(jī)的功率密度，電機(jī)的主要尺寸應(yīng)盡量的小。

電機(jī)常數(shù)CA為：

(1)

P′為電機(jī)的計(jì)算功率；T′為電機(jī)的計(jì)算轉(zhuǎn)矩；KA為電機(jī)的利用系數(shù)，計(jì)算表達(dá)式為：

(2)

又電機(jī)鐵芯長(zhǎng)度與定子內(nèi)徑的關(guān)系為：

(3)

確定電機(jī)的主要尺寸比λ，即可確定電機(jī)的鐵芯長(zhǎng)度lef和定子內(nèi)徑Dil。

2.2　氣隙的選取

氣隙長(zhǎng)度對(duì)氣隙磁密的分布和大小影響較大。因空氣磁導(dǎo)率低，磁阻大，所以隨著氣隙增大，磁力線(xiàn)通過(guò)的能力減弱，氣隙磁密減小，而為了減少電樞反應(yīng)的影響，永磁同步電機(jī)的氣隙比感應(yīng)電機(jī)要大。另外，增大氣隙可以避免由于轉(zhuǎn)子不同心造成的定轉(zhuǎn)子相互摩擦，提高電機(jī)的可靠性，但從提高電機(jī)的功率因數(shù)的角度出發(fā)，氣隙參數(shù)應(yīng)取較小值。因此，所設(shè)計(jì)的電機(jī)的氣隙參數(shù)初選δ為1 mm。

2.3　轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速不高時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)可選用表面凸出式磁路結(jié)構(gòu)，但此結(jié)構(gòu)電機(jī)弱磁擴(kuò)速能力差；對(duì)于電機(jī)要求轉(zhuǎn)速較高則應(yīng)采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)有利于提高過(guò)載能力和功率密度。所設(shè)計(jì)電機(jī)選用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)根據(jù)永磁體的布置形式主要可分為“一”型、“U”型和“V”型結(jié)構(gòu)，因?yàn)楸窘Y(jié)構(gòu)電機(jī)尺寸較小，采用“V”形和“U”形結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)并不是很明顯，故永磁體采用內(nèi)置式“一”字型結(jié)構(gòu)，具有簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　“一”型內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

2.4　永磁體尺寸設(shè)計(jì)

永磁體尺寸設(shè)計(jì)主要是計(jì)算永磁體磁化方向長(zhǎng)度hm及永磁寬度bm，永磁體的軸向長(zhǎng)度與電機(jī)鐵心長(zhǎng)度lef相同。

永磁體計(jì)算剩磁密度Br為：

(4)

Br(20℃)為20℃的剩磁密度，取1.20T；αBr為Br的可逆溫度系數(shù)；IL為Br的不可逆損失率，一般為0；t為預(yù)計(jì)工作溫度，選取60 ℃。

內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁體尺寸的估算公式可估算出永磁體磁化方向長(zhǎng)度hm和寬度bm，即

(5)

(6)

Ks為電機(jī)飽和系數(shù)，取值為1.05～1.13；Ka為與轉(zhuǎn)子有關(guān)的參數(shù)，取值為0.7～1.2；永磁體的空載工作點(diǎn)bm0取0.9；空載漏磁系數(shù)σ0取1.1；Kφ為氣隙磁通波形系數(shù)，其值為基波磁通與總磁通之比，值取1.05。

2.5　電機(jī)電磁參數(shù)確定

最終確定的電機(jī)電磁相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2　電機(jī)電磁參數(shù)

3電機(jī)電磁場(chǎng)有限元仿真

由于永磁同步電機(jī)為左右和上下對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，模型在ansoftMaxwell中進(jìn)行瞬態(tài)仿真中因?yàn)闀r(shí)間節(jié)點(diǎn)和有限元網(wǎng)格數(shù)較多，占用系統(tǒng)資源大，計(jì)算較為耗時(shí)，故采用6極電機(jī)的1/6 模型，利用周期性邊界條件簡(jiǎn)化計(jì)算模型。

3.1　電機(jī)空載特性仿真

電機(jī)空載特性指的是電機(jī)定子電樞的電流為零，電磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生。

電機(jī)在空載時(shí)的磁力線(xiàn)和磁場(chǎng)仿真云圖如圖2和圖3所示，由圖2～圖3可以得出，磁力線(xiàn)分布清晰有序，并沒(méi)有太多的聚集，基本沒(méi)有漏磁；電機(jī)處于空載特性，電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)全由轉(zhuǎn)子的永磁體發(fā)出，電機(jī)磁路設(shè)計(jì)合理。

圖2　電機(jī)空載磁力線(xiàn)云圖

圖3　電機(jī)空載磁場(chǎng)云圖

此時(shí)由于定子齒槽的原因，電機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生波動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，這就是永磁電機(jī)所特有的齒槽效應(yīng)。齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)使得電機(jī)出現(xiàn)震動(dòng)和噪聲，所以減小電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)賽車(chē)用永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)尤為重要。圖4是電機(jī)空載特性下的齒槽轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)，從曲線(xiàn)可以看出，電機(jī)的空載齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)值較小，最大值僅為1.5N·m，電機(jī)空載性能良好。

圖4　電機(jī)空載特性齒槽轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)

3.2　電機(jī)額定負(fù)載特性仿真

電機(jī)額定負(fù)載特性是指加載轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 600r/min額定轉(zhuǎn)速下，由永磁體和繞組共同加載激勵(lì)的特性[10]。

圖5是電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速2 600r/min下的轉(zhuǎn)矩輸出曲線(xiàn)，電機(jī)剛啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)而顯著增大；在經(jīng)過(guò)約25ms的波動(dòng)后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為81N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值為正負(fù)3N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小。

圖5　額定負(fù)載特性下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

瞬態(tài)仿真分析電機(jī)在額定負(fù)載下的電壓和電流，由仿真結(jié)果波形圖可知，電機(jī)電壓峰值為180V，電流最大值為280A，有效值為197A，額定轉(zhuǎn)速下得出轉(zhuǎn)矩平均值為81N·m，進(jìn)一步可求得電機(jī)的額定功率為：

(7)

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 600 r/min，求得電機(jī)的額定功率為22.32 kW，超過(guò)了電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩75 N·m、額定功率20 kW設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算鐵耗值計(jì)算精度不高，與實(shí)際電機(jī)鐵耗值出入較大，因而采用電磁場(chǎng)有限元計(jì)算較為準(zhǔn)確[11]。圖6是電機(jī)額定特性下的鐵耗隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，電機(jī)在額定特性下的鐵耗值PFe約為125 W。

圖6　電機(jī)鐵耗隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

電機(jī)的損耗主要由鐵耗、銅耗以及機(jī)械損耗組成。電機(jī)設(shè)計(jì)中機(jī)械損耗通常采用類(lèi)比的方法，根據(jù)已經(jīng)生產(chǎn)的電機(jī)所測(cè)定的機(jī)械損耗類(lèi)比選定[12]，機(jī)械損耗功率取值400 W。

電機(jī)的銅耗計(jì)算表達(dá)式為：

(8)

計(jì)算得到電機(jī)的銅耗Pcu為432 W。

電機(jī)總功率∑P為電機(jī)輸出功率Psc加上損耗功率Psh，電機(jī)效率為電機(jī)輸出功率Psc與電機(jī)總功率∑P的比值，則電機(jī)在額定特性下的效率為：

(9)

計(jì)算得到電機(jī)的損耗功率為957 W，電機(jī)額定特性下的效率η為95.1%，電機(jī)效率較高，滿(mǎn)足電機(jī)的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)的要求。

4樣機(jī)裝車(chē)測(cè)試

4.1　樣機(jī)制造

樣機(jī)的設(shè)計(jì)方案經(jīng)企業(yè)技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際制造、加工工藝進(jìn)行修改后，制造了FSE賽車(chē)用永磁同步電機(jī)樣機(jī)，樣機(jī)定制安川電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，采用矢量控制方法。依據(jù)廠家測(cè)定得到的樣機(jī)參數(shù)電機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)矩有所下降，分別為20 kW和76 N·m，與仿真結(jié)果相似度為90%。

4.2　測(cè)試項(xiàng)目及儀器

0～75 mm直線(xiàn)加速時(shí)間測(cè)試，0～75m直線(xiàn)加速測(cè)試在一條長(zhǎng)直路上進(jìn)行，利用秒表計(jì)賽車(chē)從靜止直線(xiàn)加速過(guò)75 m所需的時(shí)間，通過(guò)采集多組的測(cè)試結(jié)果求平均值的方法得出測(cè)試結(jié)果。

賽車(chē)最高車(chē)速測(cè)試，即賽車(chē)最高車(chē)速測(cè)試在無(wú)風(fēng)、干燥、平整的測(cè)試跑道上進(jìn)行，賽車(chē)平穩(wěn)地加速到最高車(chē)速，同樣采集多組數(shù)據(jù)取最大值作為賽車(chē)的最高車(chē)速值。

由于試驗(yàn)條件和成本的限制，賽車(chē)電機(jī)動(dòng)力性測(cè)試所需要的儀器主要有：

a.秒表。檢測(cè)賽車(chē)行駛過(guò)某一段距離所需要的時(shí)間。

b.霍爾脈沖編碼測(cè)速系統(tǒng)。如圖7所示，霍爾脈沖編碼器的磁鋼片安裝在賽車(chē)4個(gè)輪轂圓周，搜集脈沖信號(hào)傳送至STN32F103單片機(jī)計(jì)算賽車(chē)速度并在LED數(shù)碼表顯示。

圖7　霍爾脈沖車(chē)速裝置

4.3　賽車(chē)動(dòng)力性能測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)的環(huán)境溫度為24 ℃，風(fēng)速小于3 m/s，整備質(zhì)量加上乘員的質(zhì)量共342 kg。實(shí)車(chē)測(cè)試得到的最高車(chē)速與75 m直線(xiàn)加速的結(jié)果如表3和表4所示。

表3　賽車(chē)0～75m動(dòng)力性能測(cè)試結(jié)果　s

表4　最高速度測(cè)試結(jié)果

實(shí)車(chē)測(cè)試得到的0～75 m直線(xiàn)加速時(shí)間3組測(cè)試結(jié)果的平均值為4.22 s；最高車(chē)速3組測(cè)試結(jié)果的平均值為100.9 km/h。賽車(chē)0～75 m加速時(shí)間的設(shè)計(jì)指標(biāo)是小于4.5 s，最高速度的設(shè)計(jì)指標(biāo)是高于100 km/h，2個(gè)動(dòng)力性參數(shù)均達(dá)到賽車(chē)動(dòng)力性能設(shè)計(jì)指標(biāo)，表明電機(jī)的功率和扭矩滿(mǎn)足了電機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

5結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)正式賽的需要，設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，確定了三相、六極、內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)方案。借助電磁場(chǎng)仿真軟件，對(duì)設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真計(jì)算，仿真得知電機(jī)額定負(fù)載輸出功率達(dá)23 kW，電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下輸出的扭矩值可達(dá)82 N·m。樣機(jī)實(shí)現(xiàn)裝車(chē)測(cè)試，實(shí)測(cè)賽車(chē)動(dòng)力性能優(yōu)良，滿(mǎn)足比賽需要。

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