永磁同步輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)及其弱磁控制研究
劉吉柱，郝雙暉，孫明沖，鄭偉峰，郝明暉
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱150001)
摘要：采用有限元法設(shè)計(jì)永磁同步輪轂電機(jī)，對(duì)影響其性能的氣隙磁密諧波和齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行優(yōu)化，降低了諧波損耗和力矩波動(dòng)，達(dá)到速度高、控制性能好、功率密度高的特點(diǎn)，提高了輪轂電機(jī)的性能。并且對(duì)輪轂電機(jī)進(jìn)行弱磁控制，擴(kuò)大其調(diào)速范圍并且增大其扭矩，最后試制了一臺(tái)內(nèi)置式交流永磁同步輪轂電機(jī)樣機(jī)，并對(duì)性能進(jìn)行了測(cè)試，滿足設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：輪轂電機(jī)；有限元法；氣隙磁密；齒槽轉(zhuǎn)矩；弱磁控制
中圖分類(lèi)號(hào)：tm351; tm341 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848(2010)02-0017-06
0引 言
能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)成為世界關(guān)注的主要問(wèn)題，而開(kāi)發(fā)超低排放的電動(dòng)汽車(chē)是解決此問(wèn)題的重要途徑之一。目前，已經(jīng)有很多電動(dòng)汽車(chē)問(wèn)世并投入運(yùn)行，而現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)大部分是在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的基礎(chǔ)上改裝而成，節(jié)能效果和總體性能仍然不理想，隨著永磁材料的發(fā)展，電力電子和控制技術(shù)的進(jìn)步，永磁電機(jī)有著樂(lè)觀的應(yīng)用前景。近年來(lái)，隨著電機(jī)及其控制器的發(fā)展以及大功率電子器件的應(yīng)用，出現(xiàn)了一些全新設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車(chē)，其中采用輪轂電機(jī)多輪分布式驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)非常具有發(fā)展?jié)摿�，這就是第二代電動(dòng)汽車(chē)——電動(dòng)輪汽車(chē)[5-8]。
輪轂電機(jī)是將電動(dòng)機(jī)和車(chē)輪結(jié)合在一起的電機(jī)，是電動(dòng)輪汽車(chē)的主要組成部努。同其他驅(qū)動(dòng)方式相比，采用輪轂電機(jī)的多輪分布式驅(qū)動(dòng)有很大的優(yōu)勢(shì)。但是人們真正研究輪轂電機(jī)技術(shù)的時(shí)間還很短，而且輪轂電機(jī)的設(shè)計(jì)與車(chē)輛的車(chē)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，所以還有很多問(wèn)題需要解決。本文利用有限元法設(shè)計(jì)并加工了一臺(tái)電動(dòng)輪汽車(chē)用的永磁同步輪轂電機(jī)，對(duì)其進(jìn)行了弱磁控制研究和性能授試。
1基于有限元法的電磁方案設(shè)計(jì)
通過(guò)分析電動(dòng)汽車(chē)的牽引特性知，當(dāng)采用減速比為10：1的輪邊減速器時(shí)，要求設(shè)計(jì)的輪轂電機(jī)****轉(zhuǎn)速為4 777 r/min，****扭矩為45.3 n-m。本文設(shè)計(jì)的輪轂電機(jī)采用的槽極配合為18/16，永磁體材料為釹鐵硼，轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)為內(nèi)置式。永磁體的工作點(diǎn)0. 84 t，因此氣隙磁密設(shè)計(jì)在0.84t左右，影響氣隙磁密的參數(shù)主要有永磁體寬度、永磁體厚度和氣隙長(zhǎng)度，分別分析三個(gè)參數(shù)對(duì)氣隙磁密的影響，結(jié)果如圖l所示。
經(jīng)分析，當(dāng)氣隙長(zhǎng)度為l mm、永磁體厚度為6 mm、寬度為25 mm時(shí)最合適。
齒部和軛部的磁密分別要設(shè)計(jì)在1.1 -1 2 t、0 9—1.0 t的范圍內(nèi)，經(jīng)分析，當(dāng)齒寬為17 mm、軛高為8 mm時(shí)，磁密在要求的范圍內(nèi)。
對(duì)以上確定的電磁方案加15 a—140a的電流，分析出的扭矩和轉(zhuǎn)矩系數(shù)如圖2、3所示。
本文利用ansys有限元軟件提取一個(gè)電角度內(nèi)每個(gè)單元的****磁密，根據(jù)有限元原理，利用以下公式計(jì)算每個(gè)單元的鐵耗，再將計(jì)算出的單元鐵耗相加，最后得到定子的總鐵耗。
計(jì)算出銅耗，再由銅耗、鐵耗計(jì)算效率，繪制的效率扭矩圖如圖4所示，效率在百分之92以上。
2 電機(jī)性麓分析與優(yōu)化
永磁同步電機(jī)在交流伺服系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩和低噪聲振動(dòng)是伺服系統(tǒng)的重要性能目標(biāo)。但是電機(jī)中存在的氣隙磁密諧波和齒槽轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重影響了電機(jī)的控制性能，為了提高電機(jī)的拄制性能，本文對(duì)氣隙磁密的諧波和齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了削弱。
2.1氣隙磁密諧波的削弱
分析不同永磁體厚度時(shí)的氣隙磁密，結(jié)果如圖5、6所示。
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