單豐武，陳 紅

(1.江西江鈴集團新能源汽車有限公司，南昌 330008；2.濰坊光電創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)服務(wù)中心，濰坊 261000)

0 引 言

近年來，為了保護環(huán)境、節(jié)約能源，牽引系統(tǒng)如汽車、火車及船舶等開始采用電力能源，以取代燃料能源。永磁電機以其高效率及高功率密度等優(yōu)點在牽引系統(tǒng)應(yīng)用中獲得了較多的關(guān)注[1]。研究表明，相對于表貼式永磁電機，內(nèi)置式永磁電機具有更寬的功率范圍以及更好的過載能力，因此更適合應(yīng)用于牽引系統(tǒng)[2-3]中。表貼式永磁游標電機由于具有高轉(zhuǎn)矩密度的特點[4]，也成為了近年來永磁電機領(lǐng)域的研究熱點。相比于傳統(tǒng)永磁同步電動機，表貼式永磁游標電動機定子繞組與轉(zhuǎn)子的極對數(shù)不相等，定子齒槽采用開口槽結(jié)構(gòu)，其定子齒不僅起到導(dǎo)磁作用，同時起到磁場極數(shù)變換器的作用，使得轉(zhuǎn)子磁動勢經(jīng)過齒部的調(diào)制作用，產(chǎn)生了極數(shù)與繞組極數(shù)相同，但轉(zhuǎn)速高于轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速的磁場。這樣從外特性上看，一臺永磁游標電動機相當(dāng)于一臺高速電動機與一臺虛擬電磁減速箱，因此永磁游標電動機具有較高轉(zhuǎn)矩密度[5]。同時，永磁游標電動機的結(jié)構(gòu)和制造工藝相對簡單，單層氣隙結(jié)構(gòu)使其完全能運用常規(guī)永磁電機的分析、設(shè)計和制造方法。此外，相比于傳統(tǒng)永磁電機，永磁游標電動機具有同步電感較大的固有特性，弱磁性能優(yōu)于普通表貼式永磁電機，因此永磁游標電動機可在保證其弱磁性能需求的情況下，采用機械結(jié)構(gòu)更為簡單的表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

本文分析并設(shè)計了一臺應(yīng)用于牽引系統(tǒng)的12槽20極的表貼式永磁游標電動機，模型如圖1所示。該表貼式永磁游標電動機經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，與內(nèi)置式永磁電動機Prius-2004的電磁性能進行了對比，包括反電勢、齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩、弱磁能力、損耗及效率。

圖1 12槽20極的表貼式永磁游標電動機結(jié)構(gòu)

1 表貼式永磁游標電動機分析與設(shè)計

為保證對比的合理性，表貼式永磁游標電動機與Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動機的體積、氣隙長度、銅耗均保持相同。表貼式永磁游標電動機與傳統(tǒng)表貼式永磁電動機結(jié)構(gòu)相似，但是其定子繞組極對數(shù)ps與轉(zhuǎn)子永磁體極對數(shù)pr是不同的。根據(jù)經(jīng)典的電磁理論，只有極數(shù)相同的磁場之間才有可能產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，所以，永磁游標電動機中定子齒不僅起到導(dǎo)磁作用，還起到磁場調(diào)制作用，即極數(shù)變換器的功能，該效應(yīng)又被稱為磁齒輪效應(yīng)，該效應(yīng)可以大幅提升游標電機轉(zhuǎn)矩輸出能力[4]。表貼式永磁游標電動機電機的ps,pr以及定子槽數(shù)z應(yīng)滿足以下關(guān)系：

z=ps±pr

(1)

在永磁游標電動機中，定轉(zhuǎn)子極數(shù)比pr/ps是重要的設(shè)計參數(shù)。本文的表貼式永磁游標電動機采用12個定子槽，20個轉(zhuǎn)子極的配合，極數(shù)比為5，如圖1所示。該表貼式永磁游標電動機空載時的定子軛部磁密分布、磁力線分布分別如圖2和圖3所示。由圖2可以看出，在360°機械角度范圍內(nèi)有2個周期的磁密分布，對應(yīng)圖3中的4極的磁力線分布。

圖2 表貼式永磁游標電機空載氣隙磁密

圖3 表貼式永磁游標電動機空載磁力線分布

由于定子齒部磁導(dǎo)諧波對定子繞組及轉(zhuǎn)子磁極組合的極對數(shù)有調(diào)制作用，因此表貼式永磁游標電動機適合采用開口槽設(shè)計。表貼式永磁游標電動機槽開口大小對齒槽轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩波動的影響如圖4所示?？梢钥闯觯?dāng)電機采用開口槽(槽開口為21 mm)時具有最小的齒槽轉(zhuǎn)矩、最大輸出轉(zhuǎn)矩以及最小的轉(zhuǎn)矩波動。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的表貼式永磁游標電動機與Prius內(nèi)置式永磁同步電動機的主要參數(shù)如表1所列。

(a) 齒槽轉(zhuǎn)矩

(b) 輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩波動

參數(shù)Prius永磁同步電動機表貼式永磁游標電動機額定轉(zhuǎn)速nN/(r·min-1)12001200轉(zhuǎn)子極數(shù)2pr820定子槽數(shù)4812氣隙長度δ/mm0．7750．775疊片長度lst/mm83．183．1定子外徑Dso/mm269．24269．24定子內(nèi)徑Dsi/mm161．926175轉(zhuǎn)子外徑Dro/mm160．376174．225轉(zhuǎn)子內(nèi)徑Dri/mm110．64110．64永磁體寬度wPM/mm37．823．5永磁體長度lPM/mm6．56．5每相串聯(lián)匝數(shù)Ns7272鐵心材料M19＿29M19＿29永磁體材料N36Z＿20N36Z＿20相電阻@100℃，Rph/Ω0．09-直流銅耗@100℃，pCu/kW6．56256．5625剩磁@120℃，Br/T1．131．13

2 表貼式永磁游標電動機與內(nèi)置式永磁同步電動機的對比

本文對于表貼式永磁游標電動機與Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動機的若干電磁性能均進行了對比，包括空載性能(包括反電動勢和齒槽轉(zhuǎn)矩)、額定轉(zhuǎn)矩、弱磁能力和損耗。

2.1 空載性能對比

由于表貼式永磁游標電動機的定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度是轉(zhuǎn)子磁場的pr/ps倍，因此反電動勢比傳統(tǒng)永磁電機更大，從而具有更高的轉(zhuǎn)矩密度。但是，由于該電機的漏磁較大，導(dǎo)致了反電動勢的增加倍數(shù)少于pr/ps。

首先對比表貼式永磁游標電動機與Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動機的反電動勢，如圖5、圖6所示，其中兩電機的每相串聯(lián)匝數(shù)均為72。由圖5可以看出，表貼式永磁游標電動機的相反電動勢基波幅值為216.3 V，而Prius電機為96.3 V，兩者之比為2.16，小于極對數(shù)比(pr/ps=5)。這是因為表貼式永磁游標電動機的漏磁較大，從而主磁鏈比Prius電機略小。另外，表貼式永磁游標電動機反電動勢的諧波含量比Prius電機小得多，兩電機的總諧波失真(THD)分別為1.6%，7.2%(考慮第5次，7次，11次，13次諧波)，如圖6所示。

圖5 相反電動勢對比

圖6 反電動勢FFT對比

表貼式永磁游標電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩與裂比(定子內(nèi)徑與定子外徑比值)、齒寬等結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)。當(dāng)槽開口/槽距=0.5時，齒槽轉(zhuǎn)矩最小，然而此時該電機的輸出轉(zhuǎn)矩并不是最大的，但是由于齒槽轉(zhuǎn)矩在牽引應(yīng)用中比較關(guān)鍵，因此本文的表貼式永磁游標電動機設(shè)計時采用槽開口/槽距=0.5。兩電機的齒槽轉(zhuǎn)矩波形對比如圖7所示.可以看出，表貼式永磁游標電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩為2 N·m，略大于Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電機(1.6 N·m)。

圖7 一個周期內(nèi)齒槽轉(zhuǎn)矩對比

2.2 轉(zhuǎn)矩對比

由上述分析可知，每相串聯(lián)匝數(shù)相同時表貼式永磁游標電動機的反電動勢更高，有限元仿真顯示額定運行條件下的線電壓也高于Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動機。由于直流母線電壓會限制電機的輸出線電壓，因此在兩電機的直流母線電壓相同的條件下，需對兩電機的串聯(lián)匝數(shù)進行調(diào)整，從而保證線電壓相同，同時調(diào)整電流大小使兩電機的安匝數(shù)相同。根據(jù)該設(shè)計方法，Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動機的基波相電壓為185.73 V，而表貼式永磁游標電動機匝數(shù)為12時為184.33 V，與Prius電機接近。

兩電機的額定轉(zhuǎn)矩波形如圖8所示。表貼式永磁游標電動機的平均轉(zhuǎn)矩為379 N·m，Prius電機則為347 N·m。表貼式永磁游標電動機的轉(zhuǎn)矩波動為8.4%，Prius電機為17.6%。對比可知，相比Prius電機，表貼式永磁游標電動機具有更好的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩波動性能。因此，永磁游標電動機比傳統(tǒng)內(nèi)置式永磁同步電動機在牽引應(yīng)用中更有優(yōu)勢。

圖8 轉(zhuǎn)矩對比

2.3 弱磁性能對比

當(dāng)電機的特征電流小于額定電流時，理論上電機可以達到無限的高速。兩電機的特征電流、額定電流、磁鏈和電感數(shù)值如表2所示?？梢钥闯觯瑑呻姍C的特征電流均小于額定電流。因此，采用表貼式永磁游標電動機也具有很好的弱磁性能，如圖10所示。

表2 弱磁參數(shù)對比

圖9 表貼式永磁游標電動機的轉(zhuǎn)矩/功率隨轉(zhuǎn)速變化圖

2.4 損耗對比

本文中，電機的效率通過直流銅耗pCu，鐵耗pcore及永磁體損耗pPM進行計算對比。兩電機的損耗對比如圖10所示。與Prius電機相比，表貼式永磁游標電動機具有較高的鐵耗及永磁體損耗，其中，永磁體損耗為考慮分段后的結(jié)果。損耗隨轉(zhuǎn)速的變化如圖11所示。當(dāng)電機低速時，直流銅耗占比較大；當(dāng)電機高速運轉(zhuǎn)時，由于電流減小，直流銅耗下降，同時高頻導(dǎo)致鐵耗及永磁體損耗增加。圖12、圖13分別為Prius電機和表貼式永磁游標電動機的效率分布圖?？梢钥闯觯碣N式永磁游標電動機效率高于94%部分面積比Prius電機大。這是由于轉(zhuǎn)矩增大的速率比電流增加得慢，因此當(dāng)滿足轉(zhuǎn)矩需要時表貼式永磁游標電動機所需的電流要更小，從而直流損耗減小更多，導(dǎo)致效率相對Prius電機要高。同樣的原因，也使得表貼式永磁游標電動機在高速時的效率高于Prius電機。

圖10 損耗對比

圖11 表貼式永磁游標電動機損耗隨轉(zhuǎn)速的變化

圖12 Prius電機效率圖

圖13 表貼式永磁游標電動機效率圖

3 實驗研究

原理樣機參數(shù)如表3所示，相應(yīng)的樣機實物圖和測試平臺如圖14所示，其目的是驗證表貼式永磁游標電動機的電磁設(shè)計。為了減小齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動，樣機的極弧系數(shù)取為0.833?？紤]到樣機冷卻方式采用自然冷卻，繞組銅耗(包括端部在內(nèi))設(shè)計為160 W，線負荷設(shè)計為300 A/cm。

表3 樣機主要參數(shù)

(a) 樣機

(b) 空載實驗

(c) 負載實驗

圖15為樣機空載實驗結(jié)果?？梢钥吹?，隨著電機轉(zhuǎn)速的升高，空載反電動勢同比例增大；與有限元仿真結(jié)果相比，實驗測得的反電動勢與仿真結(jié)果非常吻合，誤差約為2%，驗證了分析的準確性。不同轉(zhuǎn)速下的電機效率測試結(jié)果如圖16所示，測試結(jié)果與仿真結(jié)果非常接近。額定工作點下，實驗測得輸出轉(zhuǎn)矩為20.4 N·m，功率因數(shù)為0.51；相應(yīng)地，有限元仿真得到的輸出轉(zhuǎn)矩為20.2 N·m，功率因數(shù)為0.58。

圖15 線反電動勢隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖16 效率隨轉(zhuǎn)速變化曲線

4 結(jié) 語

本文設(shè)計并優(yōu)化了一臺定子報數(shù)為4轉(zhuǎn)子極數(shù)為20的新型表貼式永磁游標電動機，在相同直流銅耗及電機體積的條件下，與Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動機進行了對比，結(jié)論如下：

1) 在轉(zhuǎn)速、每相串聯(lián)匝數(shù)均相同情況下，表貼式永磁游標電動機的反電動勢是Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動機的2.16倍，THD(包括第5次、7次、11次、13次諧波)為1.6%，而Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動機為7.2%。

2) 通過齒寬設(shè)計可以有效減小表貼式永磁游標電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩，本文設(shè)計值為0.25%。但是，在最大轉(zhuǎn)矩設(shè)計條件下，表貼式永磁游標電動機的齒槽轉(zhuǎn)矩大于Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電機。

3) 表貼式永磁游標電動機比Prius-2004內(nèi)置式永磁同步電動機輸出轉(zhuǎn)矩高12%，同時具有較小的轉(zhuǎn)矩波動，分別為6%及17.6%。

4) 由于表貼式永磁游標電動機的定子磁場旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子磁場不同，會在永磁體及轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生較大的渦流損耗。

5) 采用表貼式永磁游標電動機具有較好的弱磁能力，適合于牽引應(yīng)用中。

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