常九健，王 晨，鄭昕昕，方建平，王曉林

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 智能制造技術(shù)研究院， 合肥 230009)

0 引言

與傳統(tǒng)的徑向磁通永磁電機(jī)相比，軸向磁通電機(jī)(axial flux permanent magnet，AFPM)具有功率密度高、結(jié)構(gòu)緊湊、軸向長度短等特點，可以更好地適用于輪轂驅(qū)動[1-2]。定子無磁軛模塊化軸向磁通電機(jī)(yokeless and segmented armature，YASA)取消了定子磁軛，定子鐵芯采用獨立的模塊化設(shè)計，降低了鐵耗與電機(jī)質(zhì)量，通過采用集中式繞組，縮短端部繞組，降低了銅損。由于YASA電機(jī)具有質(zhì)量輕、鐵耗銅耗小、軸向磁路短、繞線方便等優(yōu)點，已成為近年來新能源輪轂驅(qū)動的研究熱點[3-5]。

軸向磁通永磁同步電機(jī)(AFPM)技術(shù)發(fā)展較早，但由于其特殊的定子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，工藝與材料的落后一直限制著AFPM的發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，近些年定子結(jié)構(gòu)已經(jīng)可以采用不同的材料、不同的工藝進(jìn)行制造。粉末冶金材料(SMC)具有低渦流損耗、各向同性以及易于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造等優(yōu)點，常作為AFPM電機(jī)定子材料，通過軟磁粉末在模具中壓制而成。高性能硅鋼片也可以通過卷制、疊壓等方法制成不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的定子鐵芯[6-8]。取向硅鋼材料由于其具有明顯的磁各向異性，尤其是沿軋制方向具有極低損耗和高磁導(dǎo)率，而其他方向電磁特性較差、鐵損很高[9]，所以主要是用于磁化方向單一的各種變壓器、互感器等設(shè)備上。而對于定子鐵芯磁化方向單一的AFPM電機(jī)，取向硅鋼又進(jìn)入了研究人員的視野。

Kim等[10]分別對采用電工硅鋼與SMC材料的軸向磁通電機(jī)進(jìn)行了比較，給出了SMC材料的AFPM的工作區(qū)域。Liu 等[11]提出了一種高性能軸向磁通電機(jī)，分別采用SMC和電工硅鋼作為定子材料，比較了2種電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩能力與功率因數(shù)，并指出采用SMC材料的AFPM電機(jī)性能可以得到較大改善。近年來，有學(xué)者對取向硅鋼應(yīng)用于AFPM進(jìn)行了研究，王政[12]對無取向硅鋼和取向硅鋼材料Torus-NN 型電機(jī)在空載與負(fù)載下的電機(jī)電磁性能進(jìn)行了比較，馬霽旻等[13-14]通過準(zhǔn)三維解析法對取向硅鋼的軸向磁通開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行了分析與設(shè)計，又通過對比分析，得出基于有取向鋼材料的電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩提高了11.7%，鐵耗降低了15.8%，最后通過優(yōu)化進(jìn)一步提高了電機(jī)的電磁性能。

上述研究主要從較為宏觀的角度，如平均轉(zhuǎn)矩、鐵損等對不同材料下的電機(jī)進(jìn)行對比分析。YASA電機(jī)具有磁通量大、易于飽和的特點，有必要探究不同材料對YASA電機(jī)飽和特性的影響。目前，對于YASA電機(jī)多種材料的對比研究很少。

首先對定子無磁軛軸向磁通輪轂電機(jī)進(jìn)行了建模與介紹；然后通過對比分析各材料性能，介紹3種材料各自的特點；基于YASA電機(jī)電磁模型對磁路、氣隙磁密、反電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩和定子鐵耗進(jìn)行研究；之后通過Fluent軟件對3種電機(jī)進(jìn)行溫度場分析；最后通過對比，綜合選用一種材料制成YASA樣機(jī)，并驗證分析結(jié)果。

1 YASA輪轂電機(jī)建模

AFPM結(jié)構(gòu)形式多種多樣，其中YASA電機(jī)有軸向長度段、功率密度高等優(yōu)點，適用于輪轂驅(qū)動?；谀撑_20極18槽、雙轉(zhuǎn)子單定子無磁軛軸向磁通水冷電機(jī)進(jìn)行材料對比研究，如圖1所示。圖2為YASA輪轂電機(jī)內(nèi)部磁場走向示意圖。

2 材料性能

所研究的3種材料分別是非取向鋼、取向鋼和軟磁復(fù)合材料中較為典型的一種，其牌號分別為M350-50A、B20R070、700HR 5P。3種材料的BH曲線如圖3(a)?？梢钥闯?，3種材料的磁化能力以及飽和點均不同，其中取向鋼沿軋制方向的磁化能力最強(qiáng)、飽和點最高，其次為非取向鋼，SMC材料該方面性能最差。而從圖3(b)可以看出，取向鋼材料隨著磁化方向偏移，磁化能力不斷下降，最低點處僅為軋制方向的1/2左右。

3種材料的鐵耗性能如圖4所示，由圖4(a)可以看出，頻率為50 Hz下，取向鋼材料在沿軋制方向的鐵耗極低，非取向鋼次之，SMC鐵損值最大；而從圖4(b)中可以看出，隨著頻率的增加，SMC材料鐵損上升梯度小于硅鋼片，在1 000 Hz時SMC鐵損性能優(yōu)于硅鋼片；從圖4(c)中可以看出，取向鋼B20R070鐵損隨著角度的偏移，單位鐵損急劇增加，最大單位鐵損是軋制方向的近10倍。

通過對上述材料性能的分析,可以總結(jié)出以下特點：① 取向鋼材料在軋制方向的磁化性能與鐵耗都明顯優(yōu)于其他2種材料，且擁有更高飽和點，但是隨著方向的偏移，性能不斷降低，甚至劣于其他2種材料；② SMC材料磁化性能較差，易飽和，且在低頻時的鐵損較大，高頻時才能發(fā)揮其渦流損耗低的優(yōu)點。

圖3 磁化性能曲線

圖4 鐵耗性能曲線

3 電磁性能分析

3.1 磁路分析

在YASA電機(jī)于中徑處做周向截面并展開得到2D等效模型，仿真得到的3種材料的電機(jī)空載磁路，如圖5所示。非取向鋼與SMC所制成的電機(jī)磁力線走向大致相同，而取向鋼電機(jī)磁路與其他2種材料電機(jī)具有明顯差異。主要體現(xiàn)在：當(dāng)永磁體與鐵芯存在偏置，磁場由永磁體經(jīng)過氣隙進(jìn)入取向鋼制成的鐵芯時，磁力線走向會在定子軸向兩端立刻偏轉(zhuǎn)較大角度，直至磁力線與軸向平行，鐵芯中部位置磁力線幾乎沿軸向方向，這與取向鋼偏離軋制方向的磁化能力弱于軋制方向有關(guān)；而其他2種材料的電機(jī)在磁場進(jìn)入鐵芯后，方向變化較為平緩，鐵芯中部磁力線呈一定弧形。

圖5 2D等效電機(jī)磁路曲線

3.2 軸向氣隙磁密與反電動勢分析

3種電機(jī)中徑處軸向氣隙磁密分布如圖6所示?？梢钥闯?，2種各向同性材料700HR5P與M350-50A所制成的電機(jī)中徑處氣隙磁密波形基本重合；而取向鋼B20R070材料電機(jī)氣隙磁密波形與其他2種材料存在較大差別。

圖6 空載氣隙軸向磁密曲線

永磁電機(jī)空載反電動勢是評價電機(jī)性能與指標(biāo)的重要參數(shù)，計算公式如下：

E=4.44fNphkwnΦδ

(1)

式中：f、Nph、kwn、Φδ分別為電機(jī)頻率、匝數(shù)、繞組因數(shù)和氣隙磁通。由于3種材料電機(jī)頻率、匝數(shù)和繞組因數(shù)相同，空載反電動勢僅取決于氣隙磁通。

圖7為3種材料的電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速700 r/min下的空載反電動勢波形曲線。

圖7 空載反電動勢波形曲線

表1為傅里葉分解后的各次諧波分量以及畸變率(THD)。從圖7的標(biāo)記①處可以看出，SMC材料電機(jī)反電動勢幅值小于非取向鋼電機(jī)，兩者波形類似；而取向鋼材料電機(jī)反電動勢波形畸變較大。從表1中可以看出，M350-50A材料電機(jī)反電動勢基波最大，幅值為140.13 V；取向鋼B20R070電機(jī)基波幅值與M350-50A材料電機(jī)基本相同，但是波形畸變率卻明顯高于其他二者；SMC材料電機(jī)基波幅值最小，但畸變率也相對較小。

表1 反電動勢諧波分量

3.3 輸出轉(zhuǎn)矩與飽和特性分析

YASA輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度大，散熱要求高，又因為定子鐵芯無磁軛模塊化設(shè)計，YASA電機(jī)相鄰定子鐵芯間設(shè)置翅片用于固定和散熱，如圖8所示，電機(jī)散熱效率高，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大。由于翅片布置于相鄰鐵芯之間，占用了槽內(nèi)空間，故定子鐵芯寬度有所減小，增加了定子鐵芯飽和的風(fēng)險。

圖8 定子固定及冷卻翅片布置示意圖

圖9為3種電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩隨電流變化曲線。可以看出，在小電流激勵下，3種電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨電流線性變化，SMC材料電機(jī)轉(zhuǎn)矩略小于其他兩者，這與上述反電動勢基波幅值大小相符；隨著電流增加，700HR 5P、M350-50A、B20R070材料電機(jī)先后在120、150、180 A電流附近轉(zhuǎn)矩發(fā)生較為明顯的非線性變化，電流240 A下取向鋼材料電機(jī)與SMC材料電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相差60.4 N·m。因此，SMC材料用于高功率密度電機(jī)時需要注意其“易飽和”特點對電機(jī)的影響，而對于磁場方向較為單一的電機(jī)可以考慮利用取向鋼飽和點高的特點增大峰值轉(zhuǎn)矩，提升電機(jī)功率密度。

圖9 轉(zhuǎn)矩隨電流變化曲線

3.4 鐵耗分析

鐵芯在交變磁場中會產(chǎn)生鐵耗，可以通過Bertotti公式進(jìn)行計算：

(2)

式中：Ph、Pc、Pe分別為鐵芯磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗；kh、kc、ke分別是磁滯損耗系數(shù)、渦流損耗系數(shù)以及附加損耗系數(shù)；f為交變磁場頻率；Bm為鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度，低速電機(jī)中附加損耗較小。表2為3種材料擬合得到的磁滯損耗系數(shù)kh與渦流損耗系數(shù)kc，可以看出，取向鋼材料沿軋制方向的磁滯損耗系數(shù)極??；SMC材料的kh值最大，但是渦流損耗系數(shù)最小。

表2 磁滯損耗系數(shù)與渦流損耗系數(shù)

在120 A額定電流激勵下，3種材料制成的電機(jī)定子損耗隨轉(zhuǎn)速變化如圖10所示?？梢钥闯?，采用SMC材料的YASA電機(jī)在該轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)鐵損最高，這是因為電機(jī)低轉(zhuǎn)速時磁滯損耗占整個鐵損的主要部分，而SMC材料的磁滯損耗系數(shù)最大；由取向鋼所制成的YASA電機(jī)在3種材料中鐵損最低，這得益于YASA電機(jī)定子磁化方向較為單一以及取向鋼材料沿軋制方向單位鐵損極低兩方面。

圖10 3種材料定子鐵芯損耗隨轉(zhuǎn)速變化曲線

進(jìn)一步對定子鐵芯損耗分布進(jìn)行分析。圖11為電機(jī)在120 A/700 r·min-1工況下，3種材料的定子鐵芯的鐵損分布云圖?？梢钥闯?，取向鋼定子鐵芯損耗分布呈現(xiàn)明顯的“兩端大，中間小”的特點，而其他2種材料的定子鐵芯的鐵損分布較為均勻。這是由于磁場經(jīng)氣隙進(jìn)入取向鋼材料定子鐵芯時，由于材料特性，在定子軸向兩端磁場方向變化梯度大，因此取向鋼定子軸向兩端磁場呈現(xiàn)“磁場強(qiáng)度大，非軸向磁場分量多”的特點，結(jié)合取向鋼偏離軋制方向時交流磁化鐵耗大的特點，定子鐵芯軸向兩端會產(chǎn)生較大的損耗。圖12為取向鋼定子鐵芯分為三段的鐵損分布，表3為三段鐵芯的具體損耗值與單位鐵損大小，可以看出，取向鋼定子兩端的單位鐵耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵芯中段。

圖11 120 A/700 r·min-1工況下定子鐵芯損耗

圖12 取向鋼定子鐵芯三段鐵損分布云圖

表3 取向鋼定子鐵芯三段鐵損值

4 溫度場分析

取向鋼與非取向鋼所制成的定子鐵芯都是通過薄鋼片疊壓而成，相鄰鋼片之間通過填充絕緣材料來隔斷電渦流，以至于定子鐵芯沿疊壓方向熱阻大，導(dǎo)熱系數(shù)呈各向異性；SMC定子鐵芯由粉末壓制而成，導(dǎo)熱系數(shù)各向同性。又由于各材料的電磁性能有所差異，電機(jī)損耗及分布也有所不同，所以3種電機(jī)存在不同的溫度場。

分別對3種材料所制成的電機(jī)進(jìn)行流體熱分析。仿真前需先對取向鋼鐵芯、非取向鋼鐵芯以及定子槽內(nèi)材料進(jìn)行等效處理。等效材料的導(dǎo)熱系數(shù)可通過以下公式計算：

(3)

式中:λi、δi為每種材料的導(dǎo)熱系數(shù)、等效厚度。材料等效后，3種定子鐵芯導(dǎo)熱系數(shù)列于表4中。由表4可以看出，由于取向硅鋼片更薄，疊壓系數(shù)較小，疊壓方向的導(dǎo)熱系數(shù)相對于非取向鋼偏小。

表4 定子鐵芯材料導(dǎo)熱系數(shù)

設(shè)置仿真條件如下：

1) 電機(jī)各損耗值由700 r·min-1/120 A工況下仿真得到，不考慮機(jī)械損耗和其他附加損耗；

2) 進(jìn)水口溫度設(shè)置為35 ℃，進(jìn)水口流量為 8 L/min；

3) 假設(shè)非取向鋼材料與SMC材料定子損耗分布較為均勻；取向鋼材料定子按照三段進(jìn)行熱量施加；

4)假設(shè)銅線電阻在60 ℃下測量得到，不考慮溫度對繞組電阻的影響。

3種材料的電機(jī)定子溫度場分布如圖13所示，從各溫度場分布可以看出，由于冷卻方式的原因，3種電機(jī)均存在鐵芯外徑端部局部過熱情況；其中非取向鋼鐵芯與取向鋼鐵芯由于沿疊壓方向?qū)嵯禂?shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)各向，導(dǎo)致鐵芯沿徑向向內(nèi)溫度變化梯度大，非取向鋼鐵芯局部過熱點達(dá)115.2 ℃，取向鋼鐵芯略??；SMC材料由于導(dǎo)熱系數(shù)各向同性，鐵芯溫度分布較為均勻，鐵芯外徑端部熱量可以更好地沿徑向向內(nèi)傳遞，局部過熱點可以得到較好的緩解，最高溫度僅為103.8 ℃，而鐵芯內(nèi)徑端部最低溫度比其他兩者鐵芯高出 10 ℃左右。

圖13 定子鐵芯溫度場分布云圖

5 電磁方案對比與樣機(jī)實驗

仿真所得到的3種材料的YASA電機(jī)參數(shù)值列于表5中。從表中可以看出，取向鋼電機(jī)在3種電機(jī)中具有較大峰值轉(zhuǎn)矩與峰值功率，且效率較高，但是鐵芯的局部過熱點溫度高于SMC鐵芯。由于YASA電機(jī)用于車用輪轂驅(qū)動，為了盡可能地增大電機(jī)功率密度，最終選用取向鋼B20R070作為低轉(zhuǎn)速YASA電機(jī)定子的材料，并加工制造出樣機(jī)，如圖14所示。

表5 M350-50A、B20R070和700HR 3P電機(jī)參數(shù)

圖14 YASA樣機(jī)及定子實物

為了驗證仿真的正確性，對樣機(jī)進(jìn)行了實驗測試，如圖15所示。采用“id=0控制策略”，測試結(jié)果列于表6中。

圖15 輪轂電機(jī)測試場景

表6 樣機(jī)測試結(jié)果

可以看出，樣機(jī)測試參數(shù)與表5中B20R070取向鋼電機(jī)仿真參數(shù)有較好的對應(yīng)，其中實測轉(zhuǎn)矩略小于仿真結(jié)果，這可能是由于工藝誤差等原因?qū)е碌?；由于仿真未計及電機(jī)溫度變化對繞組銅耗的影響，故在效率方面，仿真結(jié)果偏大于實際值；溫度傳感器置于繞組兩側(cè)中，所測得溫度為95 ℃，符合熱仿真中溫度場分布。

6 結(jié)論

從不同角度對采用非取向鋼、取向鋼以及SMC材料的YASA輪轂電機(jī)進(jìn)行了分析；當(dāng)取向鋼材料作為定子材料時，電機(jī)磁場與其他2種材料有明顯區(qū)別，而非取向鋼和SMC電機(jī)磁場基本類似，僅在強(qiáng)度上有一定差異；3種電機(jī)在小電流激勵時，輸出轉(zhuǎn)矩基本相同(SMC電機(jī)略小)，而在大電流激勵時，由于各材料飽和點的不同，取向鋼電機(jī)抗飽和能力最強(qiáng)，輸出轉(zhuǎn)矩較大；對比各電機(jī)鐵耗，SMC電機(jī)鐵損最大，非取向鋼電機(jī)次之，而采用取向鋼材料的YASA輪轂電機(jī)由于特殊的磁路結(jié)構(gòu)結(jié)合取向鋼鐵損特性，在電機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)鐵損最小，但分布不均；在溫度場中，由于非取向鋼與取向鋼疊壓而成的定子鐵芯沿此方向?qū)嵯禂?shù)小，鐵芯外徑端部溫度明顯比各向同性的SMC鐵芯高；最后對比3種材料的電磁方案選擇取向鋼作為YASA輪轂電機(jī)定子材料并制作出樣機(jī)。