不均匀气隙齿顶对外转子轮边直驱电机性能影响

，，

(沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳 110870)

0 引言

随着日益严重的环境问题，促进低碳生活和节约社会的呼声越来越高。在过去的两年中，一些一线城市的空气质量在中国并不乐观，纯电动汽车成为传统燃料汽车的替代品，纯电动汽车的设计与开发是其主要的战略方向。

在汽车工业的研究和发展领域，人们致力于开发低能耗、低排放和非传统的能源消费形式的交通工具。与传统汽车相比，纯电动汽车拥有更加灵活的传动系统，传动效率大大提升，而且没有有害气体排放，成为了未来汽车工业可持续发展必然趋势近些年来很多公司将目光投向了电动汽车的研究[1]。

轮边直驱永磁同步电机具有效率高、功率密度大、省去变速器等很多优点。因此，在车用电机的放置中，由于轮边直驱电机有功率密度高等很多优点。因此，在车用电机的放置中，由于轮边直驱电机有功率密度高等优点，越来越多的企业开始注重轮边直驱电机的研究。电机的转矩脉动是电机的一种固有特性，会引起电机运行的不平稳，导致电机的噪音。因此，削弱电机转矩脉动同时保证输出转矩有效值不变是优化设计目标。文献[2]采用不均匀气隙来改善电机性能。文献[3]给出偏心距与定子内径、最小气隙、最大气隙、磁极跨距角之间的数学表达式。但这两篇文章本文以一款额定功率为25kW轮边直驱电机为例，针对电机振动噪声偏大的原因，提出降低转矩脉动的新方法。利用有限元软件建立电机模型，并通过合理的定子齿顶偏心距使气隙不均匀，降低电机转矩脉动以及损耗，优化电机气隙磁密波形，使整体性能得到改善。

1 电机主要指标以及尺寸

本文电机的主要尺寸以及技术指标，如表1与表2所示。

表1 电机主要尺寸

表2 电机技术指标

基于Maxwell建立该电机的二维模型，建模过程假设如下

(1)采用平面二维场进行分析，忽略电机磁场的轴向变化；

(2)忽略铁磁材料中的涡流损耗和磁滞损耗；

(3)磁场仅被限制在电机内部，定子外部边界认为是零矢量等位线；

(4)电枢绕组连接方式为星型连接，极槽配合为20极24槽，跨距为1。同时对电机各个部分进行剖分，使电机瞬态求解更加精确；

(5)利用自带材料或自定义材料，给电机各部分添加材料。添加常用铁心材料DW465，本文的磁钢材料为钕铁硼材料N38UH，剩磁为Br=1.23T，矫顽力为Hc=975kA/m。定子励磁绕组采用的是铜；

(6)确定电机瞬态求解过程中各种损耗、运动部分、激励源、边界条件等；

(7)根据电机运行要求，确定额定运行速度、求解时间、转矩等[4～6]； 机模型如图1所示。

图1 电机1/4模块

2 不均匀气隙

本文的采用的是正弦波驱动的永磁同步电机，将气隙磁场波形接近于正弦，可以减小电机的转矩脉动，提高控制系统精确性，使电机性能最优。本文通过优化齿顶形状使气隙不均匀来优化气隙磁场波形。但是偏心度不是越大越好，这样气隙不均匀度过大，反而会导致转矩脉动的增加。

图2 定子示意图

图3 不均匀气隙齿顶示意图

气隙函数如下

(1)

(2)

(3)

式中，Dil—转子内径(mm)；θ1—齿顶半跨距角，大小为6.1；D—齿顶偏心距；Rr—齿顶半径。首先通过δmax、δmin之间的比值关系，根据式(1)和式(2)，得到偏心距D的大小,δmin=1。

2.1 不同偏心距对转矩脉动的影响

由于电动汽车需要在启动和爬坡的运行过程中需要电机提供较大的转矩。此工况被称作过载。电机在过载的情况下容易产生较大的转矩脉动。本文电动机的瞬态分析，计算峰值转矩情况时的转矩脉动。采用的是电流源，电枢电流有效值Ie=123A，f=133.3Hz，初相角thet=18°并且采用矢量控制 。绕组端输入的电流如下所示

Ia=1.414×Ie×sin(2πft+thet)

(4)

Ib=1.414×Ie×sin(2πft-2π/3+thet)

(5)

Ic=1.414×Ie×sin(2πft+2π/3+thet)

(6)

图4 不均匀气隙对转矩脉动的影响

图5 不均匀气隙对转矩大小影响

由图4可以得出，均匀气隙时，转矩脉动的幅值为40.2Nm;当偏心距D=43.7mm时,转矩脉动幅值为25.4Nm，转矩脉动的幅值为均匀气隙时齿槽转矩的63.1%，得到明显的削弱。由图4和图5可知，过大的偏心距不仅使输出转矩明显减小，还会引起转矩脉动的增加。

2.2 空载气隙磁密的优化

根据2.1节可知气隙不均匀时气隙磁密的波形的得到优化，基于Maxwell 2D软件，对气隙均匀与不均匀两种情况进行有限元分析。分析0时刻，两种情况下气隙磁密的情况。图6为两种情况的磁密波形，图7为两种情况的磁密波形的傅里叶分解。

图6 两种磁密波形

由图6可知，气隙均匀的时候，平均气隙磁密为0.631T。不均匀气隙的时候，气隙磁密平均值0.642T。由图7可得到气隙在均匀和不均匀时候的相关谐波幅值。

图7 两种情况磁密波形的傅里叶分解图

由表3所示，均匀气隙的波形畸变率为31%，不均匀气隙时为26.8%: 不均匀气隙磁密的畸变率小于均匀气隙磁密的畸变率，说明不均匀气隙磁密的波形更趋近于正弦波，磁密波形得到改善。

表3 两种气隙下磁密基波和相关次谐波值

3 电机性能优化

3.1 空载反电势

在电机基本尺寸、磁钢尺寸和绕组完全相同的情况下，如图8所示均匀气隙下反电势的有效值为203V。不均匀气隙时反电势为204V。这是由于气隙不均匀的时候，聚磁能力更强。由表4可知，优化后由于气隙磁密谐波含量有所降低，因此转子永磁体励磁磁场切割定子绕组后产生的空载反电势波形更加接近于正弦。

图8 两种气隙下反电势波形

表4 两种气隙反电势基波和相关次谐波值

3.2 定子铁耗

通过上述分析，偏心后导致磁密改变，在频率和电机体积一定的情况下，定子铁耗的大小和磁密的优化程度有很大的关系。图9为优化前后的定子铁耗仿真对比，从图中可以看出，当偏心距为43.7mm时，定子铁耗比均匀气隙减小了70W。

图9 两种气隙下定子铁耗对比

3.3 转子涡流损耗

由于电机的齿槽效应、绕组磁动势的非正弦分布，在转子内部会产生涡流损耗。过大的涡流损耗会造成磁钢退磁。因此，转子内的涡流损耗需要考虑[8]。

图10 两种气隙下转子涡流损耗对比

由图10可知，不均匀气隙下转子涡流损耗相比于均匀气隙的时候降低了23%，这是由于不均匀气隙使气隙磁密谐波含量有所降低，在转子中产生的涡流损耗有所减小，这样很大程度上降低了转子上磁钢退磁风险。

4 结语

本文以一台25kW轮边直驱电机为例，研究了通过优化定子齿顶形状产生的不均匀气隙对电机性能影响，得到了如下结论。

(1)不均匀气隙能够减小电机负载运行下的转矩脉动，使电机的振动噪声减小。

(2)不均匀气隙可优化气隙磁密以及反电势的波形，削弱谐波，使磁密波形更接近于正弦。

(3)不均匀气隙能够减小定子铁耗以及转子涡流损耗，这样可以很大程度上提高电机的效率，同时降低电机的温升。