小型純電動汽車CPPM無刷電機(jī)樣機(jī)研究
李新華，劉聲華，馮驥，楊衛(wèi)華，邴黎明(湖北工業(yè)_業(yè)大學(xué)，湖北武漢430068)摘要：文章研究小型純電動汽車CPPM無刷電機(jī)。采用Maxwell 3D軟件對CPPM無刷電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了三維磁場的計(jì)算和分析，并討論了不同參數(shù)對樣機(jī)磁場的影響4，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行了樣機(jī)設(shè)計(jì)、試制和現(xiàn)場試驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：電動汽車；CPPM無刷電機(jī)；樣機(jī)；三維磁場；試驗(yàn)
0引言
永磁無刷直流電動機(jī)混合勵磁調(diào)速是人們的個(gè)研究熱點(diǎn)。美國威斯康星大學(xué)tA Lipo~的感應(yīng)極永磁電機(jī)(consequentP。le PermallentMachine，以下簡稱cPPM無刷電機(jī))，受到電機(jī)界學(xué)者的廣泛關(guān)注。電動汽車驅(qū)動電機(jī)必須有較寬的調(diào)速范圍。這種cPPM無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)新穎，特別是鐵極(i，on p01e，或稱感應(yīng)極)的引入，通過改變輔助電勵磁繞組的直流電流的大小和方向，就能改變氣隙磁場的走向和強(qiáng)弱，實(shí)現(xiàn)對其的增磁或弱磁，達(dá)到寬范圍調(diào)速的目的。
TA．Lipo等人在cPPM無刷電機(jī)研究方面做了開拓性工作。文獻(xiàn)[1]提出了CPPM無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)以及氣隙磁通控制策略，并利用凸極同步電機(jī)的分析方法對其功角特性進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)用“路”的方法推導(dǎo)了CPPM無刷電機(jī)的一系列基本關(guān)系，包括一些設(shè)計(jì)公式，并給出了CPPM無刷電機(jī)的設(shè)計(jì)程序。文獻(xiàn)[3]對CPPM無刷電機(jī)的主要尺寸公式進(jìn)行了推導(dǎo)，并在優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
本文研究小型型純電動汽車驅(qū)動電機(jī)。蓄電池供電電壓為48 V，功率要求為5 kw，汽車速度范圍：0～80 km／h。擬采用CPPM無刷電機(jī)方案，試驗(yàn)樣機(jī)供電電壓為130VDC，功率1 kw，額定轉(zhuǎn)速2300 r/nin。鑒于CPPM無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性以及磁場分布的復(fù)雜性，僅從“路”，或是二維場的角度進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)都存在許多問題，難以保證設(shè)計(jì)精度。因此本文采用ANSOFT公司的Maxwell 3D軟件對CPPM無刷電機(jī)實(shí)施三維磁場的計(jì)算和分析，在此基礎(chǔ)之L進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)和試制，并展開了試驗(yàn)研究。
Maxwell 3D軟件分析界面。圖2為勵磁線圈未通入勵磁電流時(shí)樣機(jī)的磁密分布仿真云圖，圖3、圖4勵磁線圈分別通入2A增磁和弱磁電流時(shí)樣機(jī)磁密分布仿真云圖。
根據(jù)樣機(jī)初步設(shè)計(jì)，利用建模軟件Rhin04．O構(gòu)建cPPM無刷電機(jī)的三維模型，將其導(dǎo)入Mawell 3D軟件分析界面。圖2為勵磁線圈未通入勵磁電流時(shí)樣機(jī)的磁密分布仿真云圖，圖3、圖4勵磁線圈分別通入2A增磁和弱磁電流時(shí)樣機(jī)磁密分布仿真云圖。
空間內(nèi)對稱分布；當(dāng)勵磁線圈通入2 A(460安匝)增磁電流時(shí)，鐵極在勵磁線圈所產(chǎn)生的勵磁磁場作用下被磁化，形成感應(yīng)極，與永磁極的磁場在軸向和徑向上進(jìn)行了疊加，合成磁通在切向上增加較大，在氣隙中產(chǎn)生有效的增磁磁通，導(dǎo)磁機(jī)殼中間部分產(chǎn)生了局部磁路飽和的現(xiàn)象，其原理如圖5所示；當(dāng)勵磁線罔通入2 A(460安匝)弱磁電流時(shí)，與增磁情況相比，合成磁通在軸向上增加較大，導(dǎo)致導(dǎo)磁機(jī)殼中間部分產(chǎn)生了磁路飽和的現(xiàn)象，其原理如圖6所示。
2不同條件下樣機(jī)磁場仿真分析
F面進(jìn)一步分析不同參數(shù)，包括勵磁安匝、勵磁軸向槽寬、鐵極厚度對cPPM無刷電機(jī)樣機(jī)磁場的影響。
2 1不同勵磁安匝的影響
圖7、圖8分別勵磁線圈通入2 6A(600安匝)增磁和弱磁電流時(shí)樣機(jī)磁密分布云圖。
與前面加載460安匝勵磁磁動勢的情況相比較，由于感應(yīng)極所產(chǎn)生的軸向和徑向磁通增大，樣機(jī)齒部和鐵極端部的磁密平均增加了0．2～O 3T。增磁情況下，合成徑向磁通增加較大，鐵極端部磁場出現(xiàn)局部飽和。 2 2勵磁軸向槽寬的影響
圖9、圖10分別勵磁軸l0寬度為10 mm樣機(jī)增磁和弱磁時(shí)的磁密分布云圖，圖11、圖12分別勵磁軸向?qū)挾葹?0 mm樣機(jī)增磁和弱磁時(shí)的磁密分布云圖。
與前面勵磁軸向?qū)挾?5 mm樣機(jī)仿真結(jié)果比較，勵磁軸向槽寬為10 mm時(shí)，由于軸向長度的減小，增大了永磁極和鐵極所產(chǎn)生磁場的徑向分量，減小了其軸向分量，使得在增磁或弱磁時(shí)通過機(jī)殼的軸向磁密減小，而徑向磁密有所增加。勵磁軸向槽寬為30 mm時(shí)，由于電機(jī)的軸向長度增加，增犬了永磁極和鐵極所產(chǎn)生磁場的軸向分量，減小了其徑向分量，使得在增磁或弱磁時(shí)通過機(jī)殼的軸向磁密增加較多，而徑向磁密明顯減小。
2 3鐵極厚度的影響
圖13、圖14分別鐵極厚4 mm時(shí)樣機(jī)增磁和弱磁時(shí)的磁密分布云圖。
與上文樣機(jī)仿真結(jié)果相比較，鐵極厚度為4mm時(shí)，減小了鐵極所對應(yīng)的氣隙長度，氣隙磁阻也隨之減小。在相同的勵磁磁動勢作用下，鐵極處所感應(yīng)的磁密有所增加。由仿真云圖對比可以看到，增磁時(shí)，鐵極端部磁密增加比較明顯，端部磁密局部開始飽和；弱磁時(shí)，鐵極感應(yīng)磁密增加，機(jī)殼中問的磁密飽和程度有所加重。
3樣機(jī)試制與試驗(yàn)
經(jīng)過前面三維磁場計(jì)算以及相關(guān)研究工作，課題組設(shè)計(jì)并試制了一臺1 kw cPPM無刷電機(jī)樣機(jī)，表1為樣機(jī)的部分額定值和主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，圖15為樣機(jī)負(fù)載試驗(yàn)系統(tǒng)。圖15中左側(cè)“L”
形臺架上為被測試驗(yàn)樣機(jī)，電機(jī)軸的左端裝置了轉(zhuǎn)子位置霍爾檢測電路。
3 1電樞繞組發(fā)電試驗(yàn)
圖16為勵磁線圈未通入勵磁電流時(shí)樣機(jī)發(fā)電試驗(yàn)所測得的三相繞組反電動勢波形，圖17、圖l 8分別勵磁線圈通入2 A增磁和弱磁勵磁電流時(shí)樣機(jī)發(fā)電試驗(yàn)所測得的三相繞組反電動勢波形，試驗(yàn)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為500r/min。
由圖可以看出，上面三種情況下相繞組反電動勢波形均為比較理想的梯形波，平頂部分寬度達(dá)到120。。所不同的是，通入增磁，或是弱磁勵磁電流時(shí)反電動勢的幅值有所變化，增磁時(shí)電動勢幅值上升約2 v，弱磁時(shí)下降約2 v。可見，勵磁磁場對電樞電動勢波形基本沒有影響。
3 2勵磁繞組發(fā)電試驗(yàn)
圖19為勵磁線圈未遂入勵磁電流，僅磁鋼作用時(shí)勵磁繞組發(fā)電試驗(yàn)所測得的電動勢波形，圖20為樣機(jī)電動狀態(tài)下永磁磁場和電樞磁場共同作用時(shí)勵磁線圈的電動勢波形，試驗(yàn)時(shí)樣機(jī)轉(zhuǎn)速為500 r，min。
圖19表明，磁鋼勵磁時(shí)勵磁線圈感應(yīng)的是交流電動勢，但幅值較小，約120 n1V。這是由于轉(zhuǎn)予磁鋼分為二組，一組為N極，另一組為s極，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)與勵磁線圈相交鏈的軸向磁場交變所致。永磁磁場和電樞磁場共同作用時(shí)勵磁線圈感應(yīng)的是脈動電動勢。圖20表明，電樞磁場使永磁磁場發(fā)生了畸變，導(dǎo)致勵磁繞組感應(yīng)電動勢也發(fā)生畸變。這種畸變會引起勵磁電流的波動，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動。
3 3增磁和弱磁試驗(yàn)
空載情況下，樣機(jī)勵磁繞組勵磁電流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線見圖21、圖22，圈21為弱磁情況，圖22為增磁情況。
當(dāng)所通入勵磁電流起弱磁作用時(shí)，隨著勵磁電流的增大，轉(zhuǎn)速逐步升高；改變勵磁電流的方向后勵磁電流起增磁作用，隨著勵磁電流的增大，轉(zhuǎn)速則逐步降低。勵磁電流O～2A調(diào)節(jié)，增磁或弱磁時(shí)的轉(zhuǎn)速變化約為25％，轉(zhuǎn)速變化明顯，在磁路沒有飽和的情況下，兩者基本呈線性關(guān)系。
3 4負(fù)載試驗(yàn)及脈動轉(zhuǎn)矩
cPPM無刷電機(jī)樣機(jī)通過動態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器(型號為_lfq388)接至磁滯測功機(jī)(型號為zc200KB)，如圖1 5所示。給電機(jī)加5 N·m的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，調(diào)節(jié)勵磁電流(0至2A)，試驗(yàn)結(jié)果如圖23和圖24所示。圖中第一行為電機(jī)動態(tài)轉(zhuǎn)矩波形，第二行為電機(jī)轉(zhuǎn)速波形，最下一行為輸出瞬時(shí)功率波形。
從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：加弱磁電流時(shí)，樣機(jī)轉(zhuǎn)速升高；加增磁電流時(shí)，樣機(jī)轉(zhuǎn)速下降；調(diào)節(jié)勵磁電流從O至2A時(shí)，轉(zhuǎn)速變化10％左右。在調(diào)節(jié)勵磁電流的瞬間，電機(jī)轉(zhuǎn)矩和瞬時(shí)功率發(fā)生明顯波動，圖中有二處就屬于這樣的情況。
4結(jié)語
通過對cPPM無刷電機(jī)樣機(jī)三維磁場仿真和現(xiàn)場初步試驗(yàn)，可以得出如F結(jié)論：
(1)cPPM無刷電機(jī)的磁場分布相當(dāng)復(fù)雜，只有借助于三維磁場分析才能得到清晰的分布圖景，這一步工作對于cPPM無刷電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)十分重要。
(2)主要尺寸比、勵磁軸向槽寬、鐵極厚度和氣隙等對cPPM無刷電機(jī)的磁場分布有重要影響，應(yīng)在磁場分析的基礎(chǔ)上，綜合其它因素予以取值；(3)cPPM無刷電機(jī)具有良好的弱磁和增磁調(diào)速性能，與合理的控制策略相配合，完全能夠滿足電動汽車對驅(qū)動電機(jī)的調(diào)速要求。
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