一种电动拖拉机用双U型永磁电机的设计与分析

谢伟　王海华

摘  要：根据拖拉机工作特性，文章设计了一种满足丘陵山区复杂播种工况驱动需求的双U型永磁同步电机。通过研究永磁体用量对输出性能的影响，阐明实现双U型永磁同步电机最佳转矩输出的转子结构设计方案。研究结果表明：电机空载状态时，定转子磁轭未达到定转子的饱和磁密，材料属性得到了有效利用;在电机负载状态时，电机的转矩输出及转矩波动均能满足电动拖拉机复杂工况的驱动需求。

关键词：电动拖拉机;永磁同步电机;有限元仿真;转子结构

中图分类号：TM352 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）31-0081-03

Abstract： According to the working characteristics of the tractor， this paper designs a double U-shaped permanent magnet （PM）synchronous motor which can meet the driving requirements of complex sowing conditions in hilly and mountainous areas. By investing the influences of the amount of permanent magnet on the output performances， the design scheme of rotor structure to realize the optimal torque output of the double U-shaped PM synchronous motor is expounded. The results show that when the motor is in no-load state， the magnetic yoke of the fixed rotor does not reach the saturation magnetic density of the material， and the material properties are effectively utilized. When the motor operates in loaded condition， the torque output and torque fluctuation of the motor can meet the driving requirements of the electric tractor under complex working conditions.

Keywords： electric tractor; permanent magnet synchronous motor; finite element simulation; rotor structure

1 概述

近年来，随着环境污染和能源危机的加剧，纯电动拖拉机以其无污染、低噪声、低能耗、传动效率高等优点在农业生产中逐渐得以应用推广。与传统的燃油拖拉机相比，电动拖拉机的能量源主要来自于蓄电池。因此，受限于蓄电池能量密度低的技术瓶颈，电动拖拉机对其驱动系统的效率、转矩密度、可靠性等提出了更加苛刻的要求。而作为驱动系统核心的电机，其设计性能的优劣又是能否实现电动拖拉机整机驱动需求的关键。

作为稀土大国，我国高性能钕铁硼永磁材料的年产量居于世界首位。因此，以高性能永磁材料为基础的永磁同步电机得到了大力推广与应用。然而，近年来，国际稀土价格指数的不断上涨，使得稀土永磁电机的加工成本不断提高。减少稀土永磁体的用量，以较小的成本获得高性能的永磁电机，成为国内外电机设计制造领域研究的热点问题[1-2]。

从国际研究来看，意大利都灵大学的学者设计了一台12极72槽的电动汽车用永磁同步电机，试图通过研究每层永磁体产生的磁动势恒定条件来阐明减少永磁体用量的方法[3];美国德州农业大学的学者对永磁辅助式同步磁阻电机的磁障宽度、磁障厚度等电机结构参数进行了分析，得出了针对该类电机的设计方法，验证了通过增大磁阻转矩的方式来减小永磁体用量的可行性[4]。国内来说，江苏大学、东南大学、哈尔滨工业大学等众多高校均有学者对少稀土类永磁同步电机进行研究[5]。总体来说，实现稀土永磁体的最佳利用率仍然是永磁电机设计领域的研究难点问题。

本文根据电动拖拉机的工作特性需求，设计了一种V型永磁同步电机。通过研究永磁体用量对输出特性的影响，阐明实现V型永磁同步电机最佳转矩输出的转子结构设计方案。将为电动拖拉机驱动系统的设计研究提供技术支撑。

2 永磁电机数学模型

永磁电机的数学模型包括电机定子相绕组的电压方程、磁链方程，转矩方程、机械运动方程等。其中，各相绕组两端的电压等于各相绕组压降与感应电势之和，因此电压方程为：

其中，up表示任一相绕组的端电压，Rp表示绕组的内阻，ip表示电枢电流，e表示绕组中的反电势，？鬃p表示繞组中的合成磁链，p取a、b、c，表示电机的三相电枢绕组。

在忽略绕组互感作用时，任一相绕组的合成磁链为：

（2）

Lp表示定子绕组任一相绕组的自感，？鬃p表示任一相绕组的合成磁链，？鬃pmp表示任一相绕组中的永磁磁链，k为磁通调节系数。

在不考虑铁耗的情况下，由电源输入到电机内的功率为：

对于旋转电机，其机械运动方程为：

（4）

（5）

式（4）中，T为三相产生的合成转矩，J为系统的转动惯量，B为系统粘滞摩擦系数，Tl为系统负载转矩。

3 V型永磁电机的提出

本研究中的电机，定转子采用型号为M19_29G的硅钢片材料。为了增大磁阻转矩，定子绕组采用的是分布式绕组结构，并将转子设计成双层U型结构。两层磁障增大了d轴磁阻，有利于更好地利用磁阻转矩。永磁体采用的是高性能的NdFe35材料。电机结构及相关参数如图1及表1所示。

图1 双U型永磁同步电机

4 电机性能分析

4.1 静态特性

图2（a）给出了双层U型永磁电机在空载条件下的磁力线分布。可以看出，永磁体产生的磁力线要穿过4层空气磁障，d轴磁阻相对较大。此外，磁障与气隙之间的磁桥处，存在少量漏磁通。从图2（b）的电机磁密云图分布可以看出，永磁体处产生的磁密度最大，除磁障与气隙之间的磁桥处磁密呈高度饱和状态外，电机转子及定子磁轭的磁密均小于1.8T， 说明电机整体并未发生磁饱和现象，有利于导磁材料的有效利用。

4.2 动态特性

由于本文设计的永磁电机需要满足电动拖拉机多运行工况的需求。而电机的设计以节约价格昂贵的永磁体材料为目标之一。因此，本部分探讨了永磁体用量与电机的输出性能之间的影响关系。图3给出了第一层永磁体厚度对电机转矩、转矩波动、效率以及d、q轴电感的影响。可以看出，当第一层永磁体厚度逐渐增加时，电机的转矩与效率呈现递增的趋势;而电机的转矩波动则呈现出先增大后降低的变化趋势。说明该类永磁电机的设计，并非永磁体用量越多越好，要兼顾效率、转矩与转矩波动之间的制约关系。此外，随着第一层永磁体厚度的增大，d轴电感基本保持不变，而q轴电感则有一定程度的降低，说明随着永磁体用量的增加，电机d轴逐渐趋近磁饱和，永磁体的用量应控制在一定的范围。研究认为当第一层永磁体厚度为4mm时，电机性能处于综合最优。

图4给出了第二层永磁体对电机输出性能的影响。可以看出，随着第二层永磁体厚度增大，即永磁体用量的增加，输出转矩明显增大。与第一层永磁体用量对转矩的影响相比，当第二层永磁体从3mm增加到5mm时， 转矩由73.6Nm增大到82.2Nm，转矩变化对永磁体厚度的变化更敏感。此外，第二层永磁体厚度的增大，输出转矩的波动逐渐降低，说明较少的永磁体用量有助于转矩波动的降低。效率方面，当第二层永磁体厚度由2mm增加到5mm时，效率值由92.6%增加到93.9%，變化幅度大于第一层永磁体用量对效率的影响。电感变化方面，第二层永磁体厚度与电感的变化与第一层永磁体比较类似，均存在饱和现象。总体来说，第二层永磁体的用量对电机性能的影响更加敏感，影响更大。

5 结论

本文设计了一种满足丘陵山区复杂播种工况驱动需求的双U型永磁同步电机。通过研究永磁体用量对输出性能的影响，阐明了双U型永磁同步电机最佳性能输出的转子结构设计方案， 为电动拖拉机驱动电机的设计提供了技术支持。

参考文献：

[1]刘荣明.中国稀土永磁产业现状及技术发展新动向[J].稀土信息，2013（6）：18-23.

[2]王珍.中国稀土资源开发和环境保护问题研究[J].浙江工业大学学报，2015，14（1）：13-17.

[3]Guglielmi P， Giraudo N G， Pellegrino G M. PM  assisted  synchronous  reluctance  drive  for minimal  hybrid  application[C].Conference  Record  of  the  2004  IEEE  Industry  Applications Conference， Seattle， 2004.

[4]Niazi P. Permanent magnet assisted synchronous  reluctance motor design and performance improvement[D]. Texas A&M University， 2005.

[5]徐媚媚，刘国海，陈前，等.永磁辅助同步磁阻电机设计及其关键技术发展综述[J].中国电机工程学报，2019，39（23）：7033-7043.