盘式永磁同步电机产业化

1、盘式永磁同步电机在混合动力汽车中的应用时间:2010-12-30 11:36来源:湖南工程学院 作者:邓秋玲,肖锋 点击: 次提出一种应用在混合动力汽车中的高密度盘式轮毂电机。该电机电枢由各个在磁路上没有联系的迭片定子极和集中绕组组成,也称为分段的电枢铁心,它省去了定子铁心轭部,节约了成本,降低了损耗。0引言伴随着汽车社会的急速发展,城市范围内的大气污染问题以及全球范围内的二氧化碳排放等环境问题已经引起人们的广泛关注。为了解决上述问题,并且大幅度改善燃油经济性,毫无疑问就是使用电动汽车。电动汽车的低公害性、高燃油经济性以及对于行驶的灵活性等已经得到了证实。根据能源与储能源来分类,电动汽车可分为

2、采用电能驱动电动机行驶的纯电动汽车和直接或间接使用内燃机驱动发电机进行行驶的混合动力汽车,而混合动力汽车具有可以增加电动汽车续驶里程的特点。线控电子化(x - by- wire)是混合动力汽车驱动的发展趋势,轮毂电机则是线控电子化的核心与技术至高点之一。轮毂电机研发的主要目标是追求高密度、轻量化、高可靠性、低速、高出力与恒功率宽调速、宽广的高效运行区域,满足车轮牵引驱动控制系统最优控制策略对电机性能和参数的要求。众所周知,如果电机的极数足够多,轴向长度与外径的比率足够小时,盘式(轴向磁场)永磁(afpm)电机的转矩和功率密度比传统径向磁场永磁(rfpm)电机大。轴向磁场永磁电机还具有结构紧凑、

3、转动惯量小,节约材料,定子绕组散热条件良好的优点,因此轴向永磁同步电机特别适合应用于电动车辆的直驱车轮驱动。本文结合混合动力汽车用轮毂电机的研发,首先介绍混合动力电动汽车的驱动系统,然后介绍一种轴向磁场内定子(torus)盘式永磁同步电机结构,并对该电机的结构、性能和特点进行讨论。1混合动力电动汽车的驱动系统1. 1混合动力电动汽车的驱动系统混合动力电动汽车可大致分为:带有发电机的串联式混合动力,如图1a所示,由装有小型发动机/发电机的结构代替纯电动汽车中的电池。辅助推动转矩的并联式混合动力,如图1b所示,具有以发动机的转矩作为电动机的动力辅助的结构。同时拥有两者性能的串并联混合动力,如图1c

4、所示,具有纯电动汽车与发动机汽车两者共同的特征,发动机工作在功率几乎恒定或者关闭的状态,可以得到高效率。1. 2混合动力电动汽车的牵引特性混合动力电动汽车牵引特性如图2所示。在基速点nb以下,电动机运行在恒转矩运行区域,电机的性能与参数要满足最大转矩/电流控制策略,并可实现峰值恒转矩输出;在基速点nb以上运行在恒功率运行区域,电机具有足够的弱磁能能力并防止永磁体不可逆退磁,在最高转速点nmax可实现峰值功率输出。2现代轮毂电机的设计要求把电动机组装在车轮轮毂中,可以使结构更加紧凑。轮毂电机可以实现: (1) 180的旋转,横向行驶、任意旋转行驶,增加了运行的灵活性; ( 2)由于可以进行各车轮

5、任意转矩控制,防滑控制、制动控制等多种性能得以发挥。轮毂电机极力追求高密度、轻量化,尺寸和重量指标非常苛刻,因此电机设计中电磁负荷和热负荷的选取超过常规设计的“极限值”,会导致电机最大转矩运行时磁路的高度饱和;电机的高密度设计使得电机单位体积的损耗和发热量增大,也会使电机各部分温度升高,加速永磁磁钢累积退磁效应的进程。因此,轮毂电机功率密度的提高不仅受到电机发热量与冷却方式的限制,同时还受到铁心材料磁饱和特性与永磁磁钢温度特性的限制。因此高密度轮毂电机设计难度较大,具体的设计原则如下:(a)追求高密度、轻量化。选择具有高功率密度的电机型式,如盘式永磁电机。然后对电机进行优化设计,降低电机的损耗

6、,同时关注电机的冷却与散热结构;在确保电机稳定可靠运行的前提下,追求重量功率密度和体积功率密度指标。(b)电机设计既要求电机具有足够的空载永磁磁链pm以提高永磁转矩密度,同时最高转速点nmax的空载线反电动势峰值e0- line- pk不能超过驱动控制系统的工作安全电压。因此电动机运行在高速时,需要作弱磁运行,则需要提高电机的电感。若电感值太低,需要注入的直轴电流将会很大,因而效率会降低。(c)兼顾电机的电磁性能与机械力学性能,确保在最高转速下安全可靠地运行。折衷平衡恒转矩基速点nb与弱磁恒功率最高转速点nmax的性能,实现电机能力与逆变器容量在整个运行区域的最佳匹配。(d)低齿槽转矩。永磁电

7、机中齿槽转矩的存在将会引起机械振荡、噪声,并且会降低电机的起动性能。选择适当的定子槽数/极数配合,可以降低齿槽转矩。3盘式永磁同步轮毂电机的结构和特点盘式永磁电机在低速时的大转矩这个特点对电动汽车无齿轮直接驱动应用而言是很重要的,它可以将轴向磁场永磁电机不需要通过齿轮驱动链而直接安装在车轮轮毂中,降低了传动链的机械损耗,提高了整个系统的效率。盘式永磁电机的高转矩密度可以通过将电机设计成大直径和多极数来实现。这些电机的定子和转子的结构是盘式的。一个定子盘可以夹在两个转子盘中间,叫做torus结构,然而,也可以是一个转子盘夹在两个定子盘中间,叫做kaman结构。torus结构是一种较有优势的结构,

8、因为与kaman结构相比,它充分利用了内定子两个表面的铜来产生转矩,因此,总的端部绕组的长度减小了(因为与kaman结构相比,它可以只有一个定子,而kaman结构有两个定子),这大大地提高了电机的效率。在torus结构中,有两种不同的磁路方案,即所谓ns- torus方案,如图3a所示,定子两边的正对面一个为n极,另一个为s极,磁通径直通过位于中间的定子而不在定子内产生周向流通,因此不需要定子轭部,但是为了产生电磁转矩,不能采用结构简单的环绕绕组。相反,如图3b所示的为nn - torus方案,定子的两边正对着两个n磁极,因此,磁通必须沿着定子轭周向地流通,需要定子轭部,但可以采用结构简单且槽

9、满率高的环绕绕组。定子可以是开槽的也可以不开槽。无槽电机可以消除齿槽转矩和转矩脉动,但与有槽电机相比,无槽电机的定子绕组只能是环绕绕组,定子轭增大,它的轴向长度增加。再者,无槽电机的气隙磁密要低一些,匝数要增加,线径较小,所以绕组中的涡流损耗会增加,且电机的电感很低,不利于车轮电机的恒功率运行。本文选择ns- torus型铁心开槽的方案,因为它不需要定子铁心轭部,降低了电机的宽度和重量,以及降低了电机的铁耗,提高了电机的效率和功率密度。4一种新型的盘式车轮电机4. 1新型盘式车轮电机的结构根据图3a的磁路结构可知定子铁心轭部不会流过磁力线,因此可以将定子铁心轭部移去,移去定子轭部后电机的磁路结

10、构如图4所示,电枢将由分段的定子铁心极通过某一方式连接而成。定子铁心极可由冲成工字形的硅钢片叠压而成,如图5所示。在定子铁心上放置集中绕组。使用集中绕组有某些优点,如: (1)电机的端匝长度缩短,缩短了电机总的轴向长度; (2)由于减小的线圈数和简单的绕组结构,降低了定子绕组的成本。一般来说,集中绕组电机的缺点是由于绕组系数低,降低了输出转矩。然而最近的研究表明:多极数的永磁电机采用集中绕组可获得高的绕组系数和高的输出转矩。提议的新型电机的整个结构如图6所示。4. 2盘式轮毂电机的转矩方程假定气隙中的磁密为正弦波,盘式轮毂电机的转矩可由下式获得:式中: r0为电机电枢表面半径; lr为电枢绕组

11、轴向长度; jpeak为最大电流密度; kfill为绕组槽满率; bg为气隙磁密; bs为定子铁心磁密; kr为内径与外径的比值;gap为转子磁极的极弧宽与极距的比值。首先使用一般的尺寸方程对盘式轮毂电机进行初始设计,然后借助于maxwell软件进行驱动电路与电机的场路耦合动态有限元分析,进行电机的电磁性能校核、电枢反应饱和电抗和谐波电抗等参数的精确计算。本文以6 kw盘式车轮电机为例进行了电磁设计,其主要数据如表1所示。可以利用绕组的结构来增加电感。一般来说,分数槽绕组的电感比相应的整数槽绕组的要高,因为分数槽绕组之间的耦合加强,互感增加。本文选择的定子槽数/极数组合为12槽/10极,通过有限元分析得知,其反电动势中的谐波含量较低,同时导致了一个低的齿槽转矩。这种新型结构的轴向磁场电机还有许多优点,如: (1)绕组的端部连接短,使电机能够获得高的功率密度和高的效率; ( 2)绕组容易制造,且可获得较高的槽满率; ( 3)电机相