盤式永磁同步電機(jī)產(chǎn)業(yè)化

1、盤式永磁同步電機(jī)在混合動力汽車中的應(yīng)用時間:2010-12-30 11:36來源:湖南工程學(xué)院 作者:鄧秋玲,肖鋒 點(diǎn)擊: 次提出一種應(yīng)用在混合動力汽車中的高密度盤式輪轂電機(jī)。該電機(jī)電樞由各個在磁路上沒有聯(lián)系的迭片定子極和集中繞組組成,也稱為分段的電樞鐵心,它省去了定子鐵心軛部,節(jié)約了成本,降低了損耗。0引言伴隨著汽車社會的急速發(fā)展,城市范圍內(nèi)的大氣污染問題以及全球范圍內(nèi)的二氧化碳排放等環(huán)境問題已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。為了解決上述問題,并且大幅度改善燃油經(jīng)濟(jì)性,毫無疑問就是使用電動汽車。電動汽車的低公害性、高燃油經(jīng)濟(jì)性以及對于行駛的靈活性等已經(jīng)得到了證實(shí)。根據(jù)能源與儲能源來分類,電動汽車可分為

2、采用電能驅(qū)動電動機(jī)行駛的純電動汽車和直接或間接使用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)進(jìn)行行駛的混合動力汽車,而混合動力汽車具有可以增加電動汽車?yán)m(xù)駛里程的特點(diǎn)。線控電子化(x - by- wire)是混合動力汽車驅(qū)動的發(fā)展趨勢,輪轂電機(jī)則是線控電子化的核心與技術(shù)至高點(diǎn)之一。輪轂電機(jī)研發(fā)的主要目標(biāo)是追求高密度、輕量化、高可靠性、低速、高出力與恒功率寬調(diào)速、寬廣的高效運(yùn)行區(qū)域,滿足車輪牽引驅(qū)動控制系統(tǒng)最優(yōu)控制策略對電機(jī)性能和參數(shù)的要求。眾所周知,如果電機(jī)的極數(shù)足夠多,軸向長度與外徑的比率足夠小時,盤式(軸向磁場)永磁(afpm)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率密度比傳統(tǒng)徑向磁場永磁(rfpm)電機(jī)大。軸向磁場永磁電機(jī)還具有結(jié)構(gòu)緊湊、

3、轉(zhuǎn)動慣量小,節(jié)約材料,定子繞組散熱條件良好的優(yōu)點(diǎn),因此軸向永磁同步電機(jī)特別適合應(yīng)用于電動車輛的直驅(qū)車輪驅(qū)動。本文結(jié)合混合動力汽車用輪轂電機(jī)的研發(fā),首先介紹混合動力電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng),然后介紹一種軸向磁場內(nèi)定子(torus)盤式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu),并對該電機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能和特點(diǎn)進(jìn)行討論。1混合動力電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)1. 1混合動力電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)混合動力電動汽車可大致分為:帶有發(fā)電機(jī)的串聯(lián)式混合動力,如圖1a所示,由裝有小型發(fā)動機(jī)/發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)代替純電動汽車中的電池。輔助推動轉(zhuǎn)矩的并聯(lián)式混合動力,如圖1b所示,具有以發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩作為電動機(jī)的動力輔助的結(jié)構(gòu)。同時擁有兩者性能的串并聯(lián)混合動力,如圖1c

4、所示,具有純電動汽車與發(fā)動機(jī)汽車兩者共同的特征,發(fā)動機(jī)工作在功率幾乎恒定或者關(guān)閉的狀態(tài),可以得到高效率。1. 2混合動力電動汽車的牽引特性混合動力電動汽車牽引特性如圖2所示。在基速點(diǎn)nb以下,電動機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)域,電機(jī)的性能與參數(shù)要滿足最大轉(zhuǎn)矩/電流控制策略,并可實(shí)現(xiàn)峰值恒轉(zhuǎn)矩輸出;在基速點(diǎn)nb以上運(yùn)行在恒功率運(yùn)行區(qū)域,電機(jī)具有足夠的弱磁能能力并防止永磁體不可逆退磁,在最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)nmax可實(shí)現(xiàn)峰值功率輸出。2現(xiàn)代輪轂電機(jī)的設(shè)計(jì)要求把電動機(jī)組裝在車輪輪轂中,可以使結(jié)構(gòu)更加緊湊。輪轂電機(jī)可以實(shí)現(xiàn): (1) 180的旋轉(zhuǎn),橫向行駛、任意旋轉(zhuǎn)行駛,增加了運(yùn)行的靈活性; ( 2)由于可以進(jìn)行各車輪

5、任意轉(zhuǎn)矩控制,防滑控制、制動控制等多種性能得以發(fā)揮。輪轂電機(jī)極力追求高密度、輕量化,尺寸和重量指標(biāo)非常苛刻,因此電機(jī)設(shè)計(jì)中電磁負(fù)荷和熱負(fù)荷的選取超過常規(guī)設(shè)計(jì)的“極限值”,會導(dǎo)致電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時磁路的高度飽和;電機(jī)的高密度設(shè)計(jì)使得電機(jī)單位體積的損耗和發(fā)熱量增大,也會使電機(jī)各部分溫度升高,加速永磁磁鋼累積退磁效應(yīng)的進(jìn)程。因此,輪轂電機(jī)功率密度的提高不僅受到電機(jī)發(fā)熱量與冷卻方式的限制,同時還受到鐵心材料磁飽和特性與永磁磁鋼溫度特性的限制。因此高密度輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)難度較大,具體的設(shè)計(jì)原則如下:(a)追求高密度、輕量化。選擇具有高功率密度的電機(jī)型式,如盤式永磁電機(jī)。然后對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),降低電機(jī)的損耗

6、,同時關(guān)注電機(jī)的冷卻與散熱結(jié)構(gòu);在確保電機(jī)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的前提下,追求重量功率密度和體積功率密度指標(biāo)。(b)電機(jī)設(shè)計(jì)既要求電機(jī)具有足夠的空載永磁磁鏈pm以提高永磁轉(zhuǎn)矩密度,同時最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)nmax的空載線反電動勢峰值e0- line- pk不能超過驅(qū)動控制系統(tǒng)的工作安全電壓。因此電動機(jī)運(yùn)行在高速時,需要作弱磁運(yùn)行,則需要提高電機(jī)的電感。若電感值太低,需要注入的直軸電流將會很大,因而效率會降低。(c)兼顧電機(jī)的電磁性能與機(jī)械力學(xué)性能,確保在最高轉(zhuǎn)速下安全可靠地運(yùn)行。折衷平衡恒轉(zhuǎn)矩基速點(diǎn)nb與弱磁恒功率最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)nmax的性能,實(shí)現(xiàn)電機(jī)能力與逆變器容量在整個運(yùn)行區(qū)域的最佳匹配。(d)低齒槽轉(zhuǎn)矩。永磁電

7、機(jī)中齒槽轉(zhuǎn)矩的存在將會引起機(jī)械振蕩、噪聲,并且會降低電機(jī)的起動性能。選擇適當(dāng)?shù)亩ㄗ硬蹟?shù)/極數(shù)配合,可以降低齒槽轉(zhuǎn)矩。3盤式永磁同步輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)盤式永磁電機(jī)在低速時的大轉(zhuǎn)矩這個特點(diǎn)對電動汽車無齒輪直接驅(qū)動應(yīng)用而言是很重要的,它可以將軸向磁場永磁電機(jī)不需要通過齒輪驅(qū)動鏈而直接安裝在車輪輪轂中,降低了傳動鏈的機(jī)械損耗,提高了整個系統(tǒng)的效率。盤式永磁電機(jī)的高轉(zhuǎn)矩密度可以通過將電機(jī)設(shè)計(jì)成大直徑和多極數(shù)來實(shí)現(xiàn)。這些電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)是盤式的。一個定子盤可以夾在兩個轉(zhuǎn)子盤中間,叫做torus結(jié)構(gòu),然而,也可以是一個轉(zhuǎn)子盤夾在兩個定子盤中間,叫做kaman結(jié)構(gòu)。torus結(jié)構(gòu)是一種較有優(yōu)勢的結(jié)構(gòu),

8、因?yàn)榕ckaman結(jié)構(gòu)相比,它充分利用了內(nèi)定子兩個表面的銅來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,因此,總的端部繞組的長度減小了(因?yàn)榕ckaman結(jié)構(gòu)相比,它可以只有一個定子,而kaman結(jié)構(gòu)有兩個定子),這大大地提高了電機(jī)的效率。在torus結(jié)構(gòu)中,有兩種不同的磁路方案,即所謂ns- torus方案,如圖3a所示,定子兩邊的正對面一個為n極,另一個為s極,磁通徑直通過位于中間的定子而不在定子內(nèi)產(chǎn)生周向流通,因此不需要定子軛部,但是為了產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,不能采用結(jié)構(gòu)簡單的環(huán)繞繞組。相反,如圖3b所示的為nn - torus方案,定子的兩邊正對著兩個n磁極,因此,磁通必須沿著定子軛周向地流通,需要定子軛部,但可以采用結(jié)構(gòu)簡單且槽

9、滿率高的環(huán)繞繞組。定子可以是開槽的也可以不開槽。無槽電機(jī)可以消除齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動,但與有槽電機(jī)相比,無槽電機(jī)的定子繞組只能是環(huán)繞繞組,定子軛增大,它的軸向長度增加。再者,無槽電機(jī)的氣隙磁密要低一些,匝數(shù)要增加,線徑較小,所以繞組中的渦流損耗會增加,且電機(jī)的電感很低,不利于車輪電機(jī)的恒功率運(yùn)行。本文選擇ns- torus型鐵心開槽的方案,因?yàn)樗恍枰ㄗ予F心軛部,降低了電機(jī)的寬度和重量,以及降低了電機(jī)的鐵耗,提高了電機(jī)的效率和功率密度。4一種新型的盤式車輪電機(jī)4. 1新型盤式車輪電機(jī)的結(jié)構(gòu)根據(jù)圖3a的磁路結(jié)構(gòu)可知定子鐵心軛部不會流過磁力線,因此可以將定子鐵心軛部移去,移去定子軛部后電機(jī)的磁路結(jié)

10、構(gòu)如圖4所示,電樞將由分段的定子鐵心極通過某一方式連接而成。定子鐵心極可由沖成工字形的硅鋼片疊壓而成,如圖5所示。在定子鐵心上放置集中繞組。使用集中繞組有某些優(yōu)點(diǎn),如: (1)電機(jī)的端匝長度縮短,縮短了電機(jī)總的軸向長度; (2)由于減小的線圈數(shù)和簡單的繞組結(jié)構(gòu),降低了定子繞組的成本。一般來說,集中繞組電機(jī)的缺點(diǎn)是由于繞組系數(shù)低,降低了輸出轉(zhuǎn)矩。然而最近的研究表明:多極數(shù)的永磁電機(jī)采用集中繞組可獲得高的繞組系數(shù)和高的輸出轉(zhuǎn)矩。提議的新型電機(jī)的整個結(jié)構(gòu)如圖6所示。4. 2盤式輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程假定氣隙中的磁密為正弦波,盤式輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可由下式獲得:式中: r0為電機(jī)電樞表面半徑; lr為電樞繞組

11、軸向長度; jpeak為最大電流密度; kfill為繞組槽滿率; bg為氣隙磁密; bs為定子鐵心磁密; kr為內(nèi)徑與外徑的比值;gap為轉(zhuǎn)子磁極的極弧寬與極距的比值。首先使用一般的尺寸方程對盤式輪轂電機(jī)進(jìn)行初始設(shè)計(jì),然后借助于maxwell軟件進(jìn)行驅(qū)動電路與電機(jī)的場路耦合動態(tài)有限元分析,進(jìn)行電機(jī)的電磁性能校核、電樞反應(yīng)飽和電抗和諧波電抗等參數(shù)的精確計(jì)算。本文以6 kw盤式車輪電機(jī)為例進(jìn)行了電磁設(shè)計(jì),其主要數(shù)據(jù)如表1所示?？梢岳美@組的結(jié)構(gòu)來增加電感。一般來說,分?jǐn)?shù)槽繞組的電感比相應(yīng)的整數(shù)槽繞組的要高,因?yàn)榉謹(jǐn)?shù)槽繞組之間的耦合加強(qiáng),互感增加。本文選擇的定子槽數(shù)/極數(shù)組合為12槽/10極,通過有限元分析得知,其反電動勢中的諧波含量較低,同時導(dǎo)致了一個低的齒槽轉(zhuǎn)矩。這種新型結(jié)構(gòu)的軸向磁場電機(jī)還有許多優(yōu)點(diǎn),如: (1)繞組的端部連接短,使電機(jī)能夠獲得高的功率密度和高的效率; ( 2)繞組容易制造,且可獲得較高的槽滿率; ( 3)電機(jī)相