<4D F736F F D B5E7B6AFC6FBB3B555D0CED7AAD7D3D3C0B4C5CDACB2BDB5E7B6AFBBFAD1D0BEBF2E646F63>

Size: px

Start display at page:

Download "<4D F736F F D B5E7B6AFC6FBB3B555D0CED7AAD7D3D3C0B4C5CDACB2BDB5E7B6AFBBFAD1D0BEBF2E646F63>"

姻招鳞赵
6 years ago
Views:

ANSYS 2 中国用户大会优秀论文电动汽车 U 形转子永磁同步电动机研究李新华区军华杨国威章国光 (: 湖北工业大学电气与电子工程学院 2: 东风汽车公司技术中心 ) 2 摘要在分析 PRIUS 电动机的基础上, 作者提出一种电动汽车驱动用 U 形转子永磁同步电动机方案 ; 本文首先对 U 形转子电动机做了磁场仿真, 重点讨论了这种新型结构的主要优点, 并与 PRIUS V

引言日本丰田汽车公司 PRIUS 永磁同步电动机已经发展了三代, 极槽配合没有变化, 均为 8 极 /48 槽, 但转子结构有改动, 第一代永磁同步电动机转子为一字形磁钢, 第二三代为 V 字形磁钢 ( 以下简称 V 形转子电动机 ) 尽管 PRIUS 混合动力汽车取得了很大的商业成功, 其驱动永磁同步电动机也已得到业界公认, 然而作者认为 V 形转子电动机仍有可讨论之处首先,V

1 ANSYS 2 中国用户大会优秀论文电动汽车 U 形转子永磁同步电动机研究李新华区军华杨国威章国光 (: 湖北工业大学电气与电子工程学院 2: 东风汽车公司技术中心 ) 2 摘要在分析 PRIUS 电动机的基础上, 作者提出一种电动汽车驱动用 U 形转子永磁同步电动机方案 ; 本文首先对 U 形转子电动机做了磁场仿真, 重点讨论了这种新型结构的主要优点, 并与 PRIUS V 形转子电动机进行了全面比较关键词电动汽车 ; 永磁同步电动机 ;U 形转子 ; 分数槽绕组 ; 仿真. 引言日本丰田汽车公司 PRIUS 永磁同步电动机已经发展了三代, 极槽配合没有变化, 均为 8 极 /48 槽, 但转子结构有改动, 第一代永磁同步电动机转子为一字形磁钢, 第二三代为 V 字形磁钢 ( 以下简称 V 形转子电动机 ) 尽管 PRIUS 混合动力汽车取得了很大的商业成功, 其驱动永磁同步电动机也已得到业界公认, 然而作者认为 V 形转子电动机仍有可讨论之处首先,V 形转子电动机定子槽数 Z =48, 槽窄而深 ( 见图 ), 槽满率达 84%, 下线难度较大, 下线效率低, 影响电机生产成本 ; 其次, 由于采用 q=2 的单层整数槽绕组, 不能很好地抑制谐波电动势, 特别是齿谐波电动势, 电机的转矩脉动会比较大, 图 2 为 V 形转子电动机在 2 r/min 时的动态转矩仿真波形, 转矩脉动率达 28.5 %; 第三,V 形转子电动机的交直轴同步电感之差约为.77 mh, 电感差值还有增大空间, 可以进一步提高电机磁阻转矩在总转矩中的比重转矩 (Nm) 图 PRIUS 电动机定子铁心图 2 PRIUS 电动机转矩仿真针对上述问题, 作者提出一种 U 形磁钢转子分数槽绕组永磁同步电动机方案 ( 以下简称 U 形转子电动机 ), 即采用 8 极 /36 槽极槽配合的双层分数槽绕组, 转子 U 形磁钢排列为了便于比较, 文中 U 形转子电动机的主要技术数据与第二代 V 形转子电动机相同使用 ANSOFT 软件进行仿真分析, 仿真结果表明,U 形转子电动机较好地克服了 V 形转子电动 - -

ANSYS 2 中国用户大会优秀论文机的不足, 是一个较为理想的电动汽车永磁同步电动机方案 2. 磁场仿真图 3 是 U 形转子电动机的三维图极槽配合为 8 极 /36 槽, 定子用每极每相槽数 q=.

钕铁硼磁钢 36 克 / 极, 为 PRIUS 电动机的每极磁钢用量 ) 对 8 极 /48 槽 V 形转子电动机和 8 极 /36 槽 U 形转子电动机的空载磁场进行仿真分析, 仿真及其傅立叶分析结果见图 4 5.8.8.6.7.4.6.2 -.

2 ANSYS 2 中国用户大会优秀论文机的不足, 是一个较为理想的电动汽车永磁同步电动机方案 2. 磁场仿真图 3 是 U 形转子电动机的三维图极槽配合为 8 极 /36 槽, 定子用每极每相槽数 q=.5 的双层分数槽绕组, 转子磁钢 U 形排列, 即既有切向充磁的并联磁钢, 又有径向充磁的串联磁钢, 转子属于串并联的混联磁路, 因此它具有并联磁路聚磁能力强与串联磁路转轴毋须隔磁的优点仿真分析中,U 形转子电动机的磁钢用量与 V 形转子电动图 3 U 形转子电动机机相同 ( 钕铁硼磁钢 36 克 / 极, 为 PRIUS 电动机的每极磁钢用量 ) 对 8 极 /48 槽 V 形转子电动机和 8 极 /36 槽 U 形转子电动机的空载磁场进行仿真分析, 仿真及其傅立叶分析结果见图空间位置 (mm) (a) 机空载磁场仿真分布 (b) 空载气隙磁密 (b) 频谱分析图 4 V 形转子电动机空载磁场仿真分析空间位置 (mm) 图 5 U 形转子电动机空载磁场仿真分析 (a) 机空载磁场仿真分布 (b) 空载气隙磁密 (b) 频谱分析表给出了 V 形和 U 形转子电动机空载磁场傅立叶分析结果可见, 在每极磁钢用量相同条件下,U 形转子电动机的基波气隙磁密幅值达.926 T,V 形转子电动机的基波气隙磁密幅值只有.732T, 前者气隙磁密幅值比后者提高了 26.5%; 另一方面,U 形转子电动机的气隙磁场畸变率为 2.65 %, 比 V 形转子电动机下表空载磁场傅立叶分析结果比较 V 形转子电动机 U 形转子电动机基波次次.9.89 次次.5.33 畸变率 (%)

3 ANSYS 2 中国用户大会优秀论文降了 48.7 %, 表明 U 形转子电动机气隙磁场的正弦性也比 V 形转子电动机有明显改善 3. 主要优点如前分析,U 形转子电动机不仅聚磁能力强, 气隙磁场波形的正弦性好, 而且还具有以下优点 : 3. 节省磁钢用量在前面的空载磁场仿真中, 每极磁钢用量为 36 克,U 形转子电动机的基波气隙磁密幅值比 V 形转子电动机提高了.94T 在电动汽车驱动电机设计中, 过高的气隙磁密会增大电机铁耗, 故这里仍按 V 形转子电动机的基波气隙磁密幅值.732 T 来设计 U 形转子电动机磁体仿真结果是每极只需克磁钢 ( 见表 2), 比 V 形转子电表 2 两种转子结构电动机磁钢用量比较动机每极少用 25 克磁钢, 电机为气隙基波磁密幅值磁钢用量 8 极, 每台电机可节省 2 克磁钢, 仿真条件磁钢 36 克 / 极 B δm =.732 T 磁钢用量减少 2 % 左右可见, 采用 U 形转子结构, 磁钢用量有 V 形转子 B δm =.732T 36 克 / 极较大下降, 对于降低电机制造成 U 形转子 B δm =.926T 克 / 极本有实际意义 3.2 提高磁阻转矩表 3 给出了采用有限元方法计算出的两种转子结构电动机的电枢反应电感计算时电机电枢电流为 6A, 表中为去磁时直轴电枢反应电感计算值众所周知, 电枢电流一定的条表 3 两种转子结构电动机的电枢反应电感件下, 永磁同步电动机的磁阻转矩与同步电感差值 (L q -L d ) 成正比 L ad (mh) L aq (mh) L q -L d (mh) U 形转子电动机同步电感差值比 V 形转子 V 形转子电动机大.76 mh, 磁阻 U 形转子转矩提高 438 %; 与此同时,U 形转子电动机直轴电枢反应电感也比 V 形转子电动机大.36 mh, 提高约 3 %, 这表明 U 形转子电动机的弱磁能力也比 V 形转子电动机有较大提高在电动汽车永磁同步电动机中, 提高磁阻转矩的利用率, 可以相应减小励磁转矩由于励磁转矩的减小, 磁钢用量也可随之减小 ; 另一方面, 励磁磁通下降, 也可减小电机铁耗, 同时提高汽车的安全性 3.3 改善电动势波形并抑制脉动转矩表 4 给出两种电动机的绕组系数 V 形转子电动机为整数槽单层绕组, 不能通过短距来削弱谐波电动势, 而且 3 次齿谐波绕组系数与基波绕组系数相同, 因此 V 形转子电动机绕组中会产生较强的谐波电动势 U 形转子电动机为分数槽双层短距绕组, 不仅 5 7 次谐波绕组系数比 V 形转子电动机小, 尤其是 3 次齿谐波系数更小, 可以极大地削弱谐 - 3 -

4 ANSYS 2 中国用户大会优秀论文波电动势为了考察不同转子结构和电枢绕组对电动势波形的影响, 分别对 V 形转子电动机和 U 形转子电动机进行动态空载电动势仿真, 图 6 7 分别给出了 2 r/min 时电动势仿真波形及其傅立叶分析结果表 4 两种转子结构电动机的绕组系数 V 形转子电动机 U 形转子电动机基波次次次 ( 齿谐波 ) 次 ( 齿谐波 ) (a) 空载电动势仿真波形 (b) 空载电动势频谱分析图 6 V 形转子电动机空载电动势仿真 (a) 空载电动势仿真波形图 7 U 形转子电动机空载电动势仿真 (b) 空载电动势频谱分析表 5 给出了两种转子结构电动机空载感应电动势的傅立叶分析从表中可以看出,U 形转子电动机基波电动势比 V 形转子电动机高 9.5V, 提高约 %, 其它谐波电动势也低, 特别是齿谐波电动势明显减小,V 形转子电动机 2 r/min 时次齿谐波电动势为 6.6 V, 占基波电动势的 7.6 %, 而 U 形转子电动机在 2 r/min 时的 3 次齿谐波电动势分别为.6 V 和.4 V, 3 次齿谐波电动势基本被消除, 这是 U 形转子电动机采用分数槽绕表 5 两种转子结构电动机感应电动势的傅立叶分析 V 形转子电动机 U 形转子电动机基波 87.V 96.6 V 5 次 4.5 V 2.8 V 7 次 2.8V. V 次 ( 齿谐波 ) 6.6 V.6 V 3 次 ( 齿谐波 ).4 V.4 V - 4 -

5 ANSYS 2 中国用户大会优秀论文组的突出优势之一与此同时,2 r/min 时 U 形转子电动机转矩脉动也大为降低, 转矩脉动率只有 6 %, 见图 8 而 V 形转子电动机在 2 r/min 时转矩脉动率达 28.5 %( 见图 2),U 形转子电动机转矩脉动率比 V 形转子电动机下降了 22.5 % 转矩 (Nm) 当然,U 形转子电动机也存在一些负面的问题如采用分数槽绕组端部接线会麻烦一些 ; 比 V 形转子结构稍复杂, 模具成本有所增加 ; 每极多一块磁钢, 磁钢嵌放要多费工时等图 8 U 形转子电动机转矩仿真 4. 结论与 PRIUS V 形转子电动机相比, 每台 U 形转子电动机的磁钢用量减小 2 克左右, 制造成本有一定下降 ; 由于磁阻转矩上升, 可进一步减小励磁转矩, 以降低铁耗 ; 与此同时, U 形转子电动机电动势波形有较大改善, 特别是齿谐波电动势和齿谐波转矩得到有效抑制, 电机中低速时的转矩脉动率显著下降因此,U 形转子电动机是一种较为理想的电动汽车驱动永磁同步电动机参考文献 [] J. S. Hsu, C. W. Ayers, C. L. Coomer, Report on TOYOTA/PRIUS Motor Design and Manufacturing Assessment[R],UT-Battelle, LLC, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 3783, July 24. [2] R. H. Staunton,C. W. Ayers,L. D. Marlino,J. N. Chiasson,T. A. Burress,Evaluation of 24 Toyota Prius Hybrid Electric Drive System [R],UT-Battelle, LLC, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 3783, May 26. [3] J. S. Hsu, C. W. Ayers, C. L. Coomer & etc., Report on TOYOTA/PRIUS Motor Torque Capability, Torque Property, No-load Back EMF and Mechanical Losses [R],UT-Battelle, LLC, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 3783, May 27. [4] Kamil Pyrzak, Development of the Hybrid Electric Vehicle Technology, Europe EV Meeting on Ecologic Vehicles / renewable energies, MONACO, March 29 [5] ACCORD 永磁同步电动机性能初步分析, 湖北工业大学稀土电机及控制研究所研究报告,

fd α t = F mfdfd cos fd α - fd = ωt Z λ ss cos s [ 1 s = 1 α - α ] 1 α t F mfdfd fd fd ω λ ss s Z α 1 + fd 7-8 sz 1 - fd -

fd α t = F mfdfd cos fd α - fd = ωt Z λ ss cos s [ 1 s = 1 α - α ] 1 α t F mfdfd fd fd ω λ ss s Z α 1 + fd 7-8 sz 1 - fd - 17 1 213 1 ELECTRI C MACHINES AND CONTROL Vol. 17 No. 1 Jan. 213 3331 : 为了在电机设计阶段把握混合励磁永磁同步发电机齿谐波的空载和负载特性, 应用电机理论定性分析了转子齿谐波电动势的产生机理及特点根据其特点, 提出了一种准确计算齿谐波电动势波形的方法应用该方法对一台齿谐波励磁的混合励磁永磁同步发电机的齿谐波电压随励磁电流和电枢电流的变化分别进行了计算,