邢曉春，史涔溦

(浙江大學，浙江 310027)

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電動汽車用容錯直驅(qū)輪轂電機的設計

邢曉春，史涔溦

(浙江大學，浙江 310027)

設計了一種基于子電機的新型結構混合的異型直驅(qū)輪轂電機，用于驅(qū)動輪轂電動汽車。該電機的定子設計成兩種不同的結構尺寸配合相應的電磁參數(shù)，共用同一個轉(zhuǎn)子，在氣隙圓周上構成4個子電機，控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對各子電機的獨立控制。首先根據(jù)電動汽車兩種頻繁工作點——低速起動和高速恒速，分別設計了額定值對應這兩種工作點的電機，采用id=0和弱磁控制策略，并結合2D有限元仿真，分析了兩種電機各自的穩(wěn)態(tài)運行性能，繪制兩種電機對應的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速與效率圖。然后將兩種電機組合成4個子電機，并優(yōu)化調(diào)整參數(shù)，仿真分析了組合后的異型混合電機運行性能。仿真結果表明，組合后的異型混合電機在低速和高速工作區(qū)域均具有較高的運行效率，并具有良好的容錯性能。

電動汽車;直驅(qū)輪轂電機;容錯電機;電機設計；有限元

0 引 言

在全世界倡導節(jié)能減排的大背景下，電動汽車成為了近些年的研究熱點。驅(qū)動電機是電動汽車的核心部件，其性能的優(yōu)劣對電動汽車的整車性能有直接影響。研發(fā)高性能電動汽車驅(qū)動電機是目前電動汽車研究領域的重要方向之一[1-2]。

輪轂電機技術又稱車輪內(nèi)裝電機技術，將動力、傳動和制動集中在輪轂內(nèi)，省去中間傳遞機構，節(jié)省空間，提高效率，并可實現(xiàn)更復雜的多輪組合驅(qū)動方式。輪轂電機驅(qū)動形式分為輪邊帶減速驅(qū)動和直接驅(qū)動兩種。輪邊帶減速驅(qū)動輪轂電機采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子結構，經(jīng)行星齒輪，減速增扭。直接驅(qū)動輪轂電機常采用外轉(zhuǎn)子結構型式，電機直接與輪輞相連，采用低速外轉(zhuǎn)子電機[3]。本文研究對象為直驅(qū)輪轂電機。

對輪轂電機電動汽車，電機長期工作在有水、油污、灰塵等的工作環(huán)境?？陀^上，電元件的可靠性不及機械元件，電動汽車運行過程中故障可能性較大。傳統(tǒng)的三相電機在發(fā)生繞組故障時，電機轉(zhuǎn)矩會急劇下降引起車輛劇烈振動，極大威脅整車以及車內(nèi)人員的安全[2]。電機的容錯是指電機系統(tǒng)在發(fā)生故障時仍可以保持工作性能與正常狀態(tài)一樣或者相當，并且，在故障情況下，電機具有故障保護和抑制功能，防止故障惡化和蔓延[4-5]。

電動汽車驅(qū)動用永磁同步電動機要滿足頻繁起停、頻繁加減速要求，即驅(qū)動電機要在低速或爬坡時輸出大轉(zhuǎn)矩；同時要具有很寬的高速恒功率調(diào)速范圍[6]。

參照現(xiàn)有四輪獨驅(qū)輪轂電機車輛模型及相關文獻[7-9]中實驗平臺數(shù)據(jù)，選擇車輛仿真參數(shù)。用MATLAB/Simulink搭建起動仿真模型和HWFET循環(huán)工況工作模型。分別確定對應頻繁起停的工作區(qū)中心點1，(n，T)=(300 r/min,700 N·m)；對應高速恒速運行的工作區(qū)中心點2，(n，T)=(700 r/min,350 N·m)。

本文針對電動汽車運行工況設計外轉(zhuǎn)子容錯永磁同步電機，將每一個輪轂電機設計為多個子電機配合工作[10]。同時，電機設計需要滿足整個運行范圍總體效率最高。文后設計了異型混合電機，可以滿足整個運行工況高效率運行。

1 電動汽車用容錯直驅(qū)輪轂電機的設計

為提高電機工作可靠性、提高電機工作區(qū)的整體運行效率，可以將電機設計為多子電機結構。本文選用子電機數(shù)量為4，兩兩配合。

1.1 設計指標

相數(shù)為3，4個子電機，額定直流電壓Udc=500 V。nN1=300 r/min,Tem1=700 N·m;nN2=700 r/min,Tem2=350 N·m。ηN=95%。

1.2 磁路設計

永磁體選擇需要考慮的各項性能參數(shù)有：最大磁能積(BH)max，剩余磁場強度Br和矯頑力Hc，熱穩(wěn)定性等[11]。對本文適用高可靠性的永磁容錯電機，選擇時需考慮永磁體抗退磁能力和功率密度，需要Hc，(BH)max較大。因直驅(qū)輪轂電機選用外轉(zhuǎn)子結構，轉(zhuǎn)子直接連接金屬輪輞，永磁體散熱較好，工作溫度要求不高，本文電機設計選用NdFeB材料。外轉(zhuǎn)子永磁同步電機永磁體采用表貼式。

1.3 電機尺寸選擇

首先，輪轂電機尺寸小于電動汽車輪輞尺寸。

永磁同步電機與一般電動機一樣，其主要尺寸受功率、轉(zhuǎn)速和電磁負荷的影響。

(1)[12]

式中：Da為電樞直徑；La為電樞鐵心長度；P′為計算功率；αi為極弧系數(shù)，0.6～0.8，取0.72；kφ為波形系數(shù)，kφ≈1.11；kw為繞組系數(shù)，取決于極槽比和斜槽角度；A為線負荷；Bδ為氣隙磁通密度，取值0.8Br；nH為電動機額定轉(zhuǎn)速。

設計極槽數(shù)時需滿足三相、4個子電機，則極數(shù)需要是8的倍數(shù)，槽數(shù)需要是12的倍數(shù)。不同極槽配合對應的各次諧波繞組系數(shù)如表1所示。

極數(shù)和槽數(shù)的最小公倍數(shù)決定電機的齒槽轉(zhuǎn)矩，在表1中，60/64一組最小公倍數(shù)最大，基波繞組系數(shù)最大，故本電機選擇極槽比64/60，kw= 0.951。

表1 不同極槽配合對應繞組系數(shù)

代入公式，設計額定點分別對應設計指標中兩個工作點的電機。兩電機同為電動汽車輪轂電機所用，且兩電機對應的子電機在后文需要配合使用，故外轉(zhuǎn)子、氣隙及磁極尺寸等相同。兩電機設計參數(shù)如表2所示。

表2 兩電機設計參數(shù)表

1.4 子電機設計及仿真

將電機分瓣設計成4個子電機，子電機額定電流總和等于原電機額定電流，永磁磁鏈與原電機相同，極對數(shù)與原電機相同，子電機電阻與原電機電阻相同，子電機相電感與原電機電感成倍數(shù)關系，比例等于分瓣數(shù)量。

將兩個電機繞組分別重新分相，分別分成相同的4個子電機。電機總槽數(shù)為60，分成4份，每90°機械角度對應的15個電機槽構成一個子電機的定子部分。各子電機單獨控制。如圖1所示。

設計多電機結構的主要目的是提高可靠性同時提高整體工作效率。接下來，需要對分子電機后不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩組合下運行效率進行仿真。永磁同步電動機的控制方法有id=0控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流控制、弱磁控制等[13]。永磁體表貼式電機屬于隱極電機，id=0控制方法與最大轉(zhuǎn)矩/電流控制方法等價。

(a)1#電機(b)2#電機

圖1 電機仿真模型

由于子電機相電感與原電機電感成倍數(shù)關系，子電機相電感較大，在高速大轉(zhuǎn)矩運行工況，在反電勢過高時，改用弱磁控制。

電機分瓣后，電感、電阻比率變化，電機效率下降，相同電流可以達到的最高轉(zhuǎn)矩減小，極槽最小公倍數(shù)減小，轉(zhuǎn)矩紋波變大。為減小這些影響需要重新調(diào)整繞組導體數(shù)，并加入斜槽。利用Maxwell參數(shù)優(yōu)化功能[14]，經(jīng)多次仿真調(diào)試，1#電機的每槽導體數(shù)改為50，2#電機每槽導體數(shù)不變，電機斜槽角變?yōu)?0.5°。

對同種控制方式，同一工作點，電磁功率一定，鐵心損耗基本不變，各子電機工作電流相同時效率最高。而若想進一步使整體工作效率高，可以給定不同子電機不同的控制方法，例如部分弱磁控制，部分id=0控制，并計算相應效率最高的電流。

調(diào)節(jié)初始位置使電機A相軸線與q軸重合。通過線性調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速和電樞電流，可以實現(xiàn)對電機不同工作點的仿真。

首先，對兩電機分瓣后空載和額定工況下運行參數(shù)進行仿真。采用id=0控制，直接給定正弦電流，每個子電機電流相同，均等于額定電流。仿真結果如表3所示。1#電機轉(zhuǎn)速在300 r/min和2#電機轉(zhuǎn)速在700 r/min時，空載反電勢曲線、額定電流下負載轉(zhuǎn)矩曲線如圖2所示。

表3 兩電機分瓣后額定工作點運行參數(shù)

(a)1#電機300r/min(b)2#電機700r/min

圖2 空載反電勢、電樞電流、負載轉(zhuǎn)矩曲線圖

在對電機兩個高頻工作點進行仿真后，分別對1#電機、2#電機不同負載運行狀態(tài)進行仿真，輸出負載反電勢、氣隙磁密波形及負載電流、電磁轉(zhuǎn)矩波形，方法同上。

在仿真不同狀態(tài)并比較數(shù)據(jù)的基礎上，可以仿真兩種分瓣電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速與效率曲線[15]。給定電機轉(zhuǎn)速0～1 200 r/min，并分別在給定轉(zhuǎn)速條件下，采用id=0控制，給定不同電樞電流，感應電勢不能超過極限電壓值。當電機轉(zhuǎn)速較高時，反電勢超出極限電壓值，調(diào)節(jié)出現(xiàn)飽和，需采用弱磁控制，調(diào)節(jié)永磁磁鏈與電樞磁鏈夾角，以提高電磁轉(zhuǎn)矩。計算不同轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速狀態(tài)下電磁功率，并測得不同轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速狀態(tài)下的線損、鐵心損耗、感應電勢，求出不同狀態(tài)下效率值，描點，繪制等高線。分別如圖3、圖4所示。

在圖3中可以看到，1#電機最佳工作點是(300 r/min, 450 N·m)，不是(300 r/min,700 N·m)，這與調(diào)整繞組等參數(shù)導致電機分瓣后電機參數(shù)與原電機參數(shù)不成比例有關。而且，在低速區(qū)，隨著轉(zhuǎn)矩增大，電磁飽和現(xiàn)象明顯，導致與計算結果與仿真結果有偏離。在圖中還可以看出，1#電機調(diào)速范圍較窄。轉(zhuǎn)速很低時，最大電磁轉(zhuǎn)矩約可達到800 N·m。隨著轉(zhuǎn)速增加，采用id=0控制時，可達到的最大轉(zhuǎn)矩下降明顯。在電機轉(zhuǎn)速超過500 r/min時，采用id=0控制，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍很窄，需要配合弱磁控制。在轉(zhuǎn)速超過700 r/min時，只能采用弱磁控制。即轉(zhuǎn)速在700～1 200 r/min，只能采用弱磁控制，通過優(yōu)化調(diào)節(jié)永磁磁鏈與電樞磁鏈夾角獲得正弦電樞電流。

圖4為2#電機轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速與效率曲線。電機最佳工作點是(600 r/min,400 N·m)，最佳工作點偏離原因同上。(700 r/min, 350 N·m)也在高效率工作范圍內(nèi)。從圖中可以看出，2#電機調(diào)速范圍寬廣。轉(zhuǎn)速在0～600 r/min范圍內(nèi)，最高轉(zhuǎn)矩可以達到800 N·m，轉(zhuǎn)速超過800 r/min時，欲提高轉(zhuǎn)矩時，需要采用弱磁控制。

圖3 1#電機T-n與效率等高線圖4 2#電機T-n與效率等高線

汽車行駛的特點是頻繁地啟動、加減速、停車等。在低速或爬坡時需要高轉(zhuǎn)矩，在高速行駛時需要低轉(zhuǎn)矩。電動機的轉(zhuǎn)速范圍應能滿足汽車從零到最大行駛速度的要求。兩個電機效率曲線不同，1#電機低速大轉(zhuǎn)矩區(qū)域效率較高，2#電機在高速區(qū)效率較高，可以吸收兩種子電機優(yōu)勢，讓它們配合使用。如圖5所示，設計異型混合電機。

圖5 異型混合電機模型

4個子電機由兩種子電機組成。兩種子電機分別與1#電機、2#電機子電機相同。定義90°～180°和270°～360°對應子電機為1，3子電機，與1#電機子電機相同；另外兩個子電機同2#電機子電機，分別為2，4子電機。每個子電機的定子部分為90°機械角度對應的繞組，轉(zhuǎn)子部分為整個電機轉(zhuǎn)子。兩種子電機永磁磁鏈不同、電樞電阻不同，為減小轉(zhuǎn)矩脈動、提高電機效率，應在負載條件下不同子電機輸出最優(yōu)電流組合。

取輪轂電機兩個高頻工作點做混合電機運行仿真。欲實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速要求，可以通過不同子電機多種電流組合實現(xiàn)。對混合電機實現(xiàn)兩個高頻工作點仿真，參數(shù)曲線如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7中可以看出，1，3子電機空載反電勢高于2，4子電機。對1，3子電機，當轉(zhuǎn)速高于700r/min時，空載反電勢相幅值已接近300V，僅通過id=0控制不能實現(xiàn)寬范圍調(diào)速，改用弱磁調(diào)速。

(a)混合電機各子電機300r/min空載反電勢(b)混合電機(300r/min，700N·m)電流、轉(zhuǎn)矩曲線

(c)混合電機與1#電機轉(zhuǎn)矩比較

(a)混合電機各子電機700r/min空載反電勢(b)混合電機(700r/min，350N·m)電流、轉(zhuǎn)矩曲線

(c)混合電機與2#電機轉(zhuǎn)矩比較

通過混合電機與1#電機和2#電機分別比較可知，在同樣的低速大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下，混合電機可以實現(xiàn)比1#電機更高的運行效率(93.2%>92.3%)和更小的轉(zhuǎn)矩紋波(0.92<1.72)；在同樣的高速大轉(zhuǎn)矩運行狀態(tài)下，混合電機與2#電機運行效率基本相同，均高于95%,而混合電機轉(zhuǎn)矩紋波明顯小于2#電機(0.59 <1.49)。因此，混合電機同時吸收了1#電機和2#電機的優(yōu)勢，可以做到更寬廣的運行范圍內(nèi)效率更高，轉(zhuǎn)矩紋波更小。

與1#電機相比，混合電機調(diào)節(jié)范圍寬，1#電機不能很好的滿足汽車高速恒速運行的要求，混合電機可以；混合電機轉(zhuǎn)矩脈動小，可使車內(nèi)人員乘坐更加舒適；混合電機子電機控制調(diào)節(jié)時靈活性高。

與2#電機相比，因為混合電機是由不同性能子電機組成，可以通過實現(xiàn)不同子電機輸出電流最優(yōu)組合，提高運行效率，所以混合電機驅(qū)動的電動汽車可以使汽車整個運行轉(zhuǎn)速下滿足高效率運行，降低能耗；混合電機轉(zhuǎn)矩脈動比2#電機小；混合電機控制更加靈活。

2 結論與展望

2.1 總結

為滿足電動汽車高可靠性與高運行效率的要求，本文設計了一種異型混合外轉(zhuǎn)子永磁同步電機，該電機由4個兩兩相同的兩種子電機組成。兩種子電機定子結構不同，轉(zhuǎn)子結構相同。定子結構尺寸及電磁參數(shù)均不同。各子電機可被單獨控制。文中采用id=0和弱磁控制策略，結合2D有限元對該電機低速和高速性能進行了仿真，仿真結果表明，混合電機在低頻和高頻區(qū)域均可實現(xiàn)運行效率在93%以上，且轉(zhuǎn)矩紋波較小。另外，由于該電機采用兩兩配對的子電機構成方式，控制系統(tǒng)對每子電機可進行單獨控制，若某個或某些子電機故障，可用其余子電機進行一定程度的轉(zhuǎn)矩補償，具有良好的容錯性能。

2.2 結論

在對可靠性、乘車舒適性和運行效率要求均較高的場合，異型混合電機驅(qū)動的電動汽車有優(yōu)勢。

2.3 展望

(1) 文中有限元分析結果均是2D計算，未考慮端部效應，計算電感偏小。計算得到的所有參數(shù)有一定偏差。

(2) 文中在繪制效率圖時，通過直接經(jīng)參數(shù)計算給定的電樞正弦電流，未考慮控制及狀態(tài)變換等對效率及其他參數(shù)的影響。

(3) 文中在繪制1#電機、2#電機效率圖時，未考慮控制方式配合可能帶來的優(yōu)化效果。理論上，可以給定不同子電機不同的控制方法，例如部分弱磁控制，部分id=0控制，經(jīng)參數(shù)優(yōu)化計算可計算出使效率最高的電流。

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Design of a Fault-Tolerant Direct-Drive Hub Motor Used by Electric Vehicle

XING Xiao-chun,SHI Cen-wei

(Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

It shows a hybrid alien structure based on sub motors of in-wheel motor on application of electrical vehicle. The stator of motor is made up of two parts with different structure size and electromagnetic parameters. The two share a rotor stator part. Each of the stator part is made up of two identical parts. Therefore, there are four motors with two same different from the other same two in the air gap. Control system can realize independent control of each motor. According to the two frequency working points of electric car - starting at low speed and high speed constant speed, the paper designs two motors with rating respectively corresponding to the two kinds of working point. Usingid=0 and weak magnetic control, and analyzing the two motor steady state performance of their respective combined with 2 d finite element simulation, two motor correspondingT-nand efficiency curves are drawn. Then the combination of two kinds of motors, optimization of adjusting parameters, and the simulation analysis of the combination of different hybrid motor running performance are made. The simulation results show that after the combination of different hybrid motor at low speed and high speed work area needs of higher operation efficiency, and a good fault tolerant performance can be met.

electric vehicle; direct-drive in-wheel motor; fault-tolerant motor; motor design; FEM

2015-09-14

TM351;TM341

A

1004-7018(2016)10-0022-04

邢曉春(1991-)，女，碩士研究生，主要從事電動汽車電機設計。