随着化石燃料逐渐枯竭以及使用化石燃料所带来的温室气体排放，以及雾霾天气也被指与过度使用化石燃料有关，因此节能减排渐成为各国政府与各大企业关注焦点。现阶段，以汽车为首的交通工具所消耗的能源占据了总能源消耗的很大比例，以美国为例，全社会全年能源的28%被交通工具消耗[1]。若要减小对化石燃料依赖，推广各类电动汽车是一个重要解决方案[2-5]。广义的电动汽车包括混合动力汽车(混动，HEV)、插电式混合动力汽车(插电混动,PHEV).电池供电纯电动汽车(纯电动，BEV)等驱动系统中使用电机作为驱动源之一的汽车[4]。

作为电动汽车核心部件的电机占有举足轻重的地位，须满足如下要求[6]： 高转矩密度和高功率密度；在起动、低速和爬坡时高转矩，高速巡航时有高功率；宽调速范围，短时过载能力强；宽转速转矩范围内具有较高的效率；高可靠性，高安全系数；造价合理。目前各类电动汽车用电机的主要类型有永磁同步电机、感应电机和开关磁阻电机等[6-7]。永磁电机以内置永磁式较为常见[2-6]，以丰田PRIUS为代表[8-12]，该种电机具有高效率和高功率密度等优点。感应电机具有结构简单、制造工艺成熟、机械强度好、可靠性高等优点，在美国豪华车品牌Tesla中被使用[2-9]，但感应电机也有着综合效率低、转矩密度低等不可忽视的不足。开关磁阻电机结构简洁、可靠性好及控制简单，特别适合高速、高温等场合使用，但其固有的高转矩脉动、低功率密度和低功率因数等不足也限制了其应用[2]。永磁辅助同步磁阻电机(简称PMa电机)是一种极具潜力的电机，但目前还没有被大规模应用。PMa电机，是指辅以磁钢来提高性能的磁阻同步电机，所输出的转矩不仅包括永磁转矩，也包括较大比例的因磁路不对称引起的磁阻转矩，通过精心设计，此种电机有可能兼具内置永磁电机和磁阻电机的优点[13-23]。辅助永磁可以采用成本低廉的铁氧体以获得良好的性价比，也可采用性能较好的稀土永磁材料而得到更好的性能。本文将试图以丰田PRIUS 2010电机(下称基准电机)为基础设计一款新电机，使用与其相同的定子外圆和磁钢用量，通过优化设计转子上磁障的大小、层数、排列组合方式，具有比基准电机更好的电磁性能、相当的机械强度。

作为研究参照，本文以PRIUS 2010主驱动电机作为基准电机进行了分析。该电机的基本参数如表1所示。

图1所示的是基准电机一个极的截面图。对该电机进行有限元建模，并进行了空载、负载和效率云图等多项目的分析。美国橡树岭国家实验室对该电机进行了详细的拆解和分析，并出版了正式报告[12]。本文将有限元分析结果与测试数据进行对比，以验证计算方法的正确性，并以此有限元计算方法为工具进行新结构电机的优化设计。

表1　基准电机参数参数名称参数值参数名称参数值额定功率/kW67定子外径/mm262直流母线电压/V650定子内径/mm160极对数4气隙长度/mm0.63定子槽数48有效长度Lef/mm50.65每相串联匝数Ns88磁钢牌号38UH并联支路数a1磁钢剩磁Br/T1.24

图1　基准电机截面图

1.1　堵转条件下转矩分析

为了测试电机的转矩输出能力，文献[12]设计测试了基准电机的堵转转矩，其测试台架如图2所示。获得了基准电机在不同电枢电流下的一系列转矩-位置曲线。

图2　测试台架[12]

本文使用有限元法对该测试过程进行了仿真，得到了与测试结果相对应的一系列转矩-电流角特性曲线，计算与测试对比结果如图3所示。

在图3图例中，T表示测试结果，S表示仿真结果。可以看出，当定子电流小于150A时，测试结果与仿真结果吻合度非常好。当电枢电流为250A时，测试结果与仿真结果部分吻合较好，部分出现较大偏差。总体上计算与测试结果基本一致，证明了计算模型及有关参数的选择、计算方法是可靠可信的。

图3　静态转矩-转子位置关系试验与仿真对比

1.2　效率云图

驱动电机与普通工业用途电机不同，驱动电机运行时的转速转矩随车速和路况的变化而变化，即电机可能运行的工况是一系列宽范围的转速和转矩组合。不同的转速与转矩的组合，其运行效率也是不同的。为了准确地反映电机的效率特性，需要使用效率云图来进行描述。测试与仿真结果如图4所示。图4(a)是由美国橡树岭实验室实际测试得到的，图4(b)由计算仿真得到。对比测试和计算得到的效率云图发现，两者具有很好的吻合度。对比发现在低速、低转矩区域有较大差异，这可能是由电机铁耗模型、机械损耗的处理、电机控制方案与仿真使用方案偏差等引起。总体上，仿真结果与实际测试结果是非常接近的，可以认为仿真方法能够较好地体现电机的实际情况。后续分析均使用与此相同的方法，故认为后续的分析结果也是可靠的。

上一篇：如何防止农机发动机连杆螺栓折断
下一篇：没有了