考虑电工钢应力磁特性的电动汽车电磁性能仿真计算*

黄苏融，　徐志祥，　张　琪，　曹海东，　董小飞

(1. 上海大学 机电工程与自动化学院，上海　200072； 2. 上海机动车检测中心,上海　201805)



黄苏融1，徐志祥1，张琪1，曹海东1，董小飞2

(1. 上海大学 机电工程与自动化学院，上海200072； 2. 上海机动车检测中心,上海201805)

摘要：针对汽车电机电工钢的应用技术和电磁性能模拟技术，开展电工钢的铁耗与电工钢应力-磁特性的研究，分析了剪切应力对电工钢片磁特性的影响，并提出考虑电工钢剪切应力的磁特性曲线拟合公式。然后基于电工钢的应力-磁特性，采用JMAG软件，建立了电动汽车用IPM永磁驱动电机电磁仿真模型。计算分析了该模型下的电磁性能，并与传统电磁模型仿真结果进行比较。

关键词:电工钢； 应力； 损耗； JMAG

0引言

电机铁心在冲片过程中会在电工钢片冲剪边缘产生残余应力，应力会导致电工钢片磁特性的下降，进而引起电机性能的下降和损耗的增加。直接使用电工钢厂家提供的电工钢性能参数会引起较大的误差，所以在电机设备的设计过程中就应该考虑到电工钢片的这种特性[1]。

人类对于电机电工钢应力-磁特性的研究已有几十年的历史，近几年来，随着测试方法与仿真手段的提高又有了新的突破。2004年，Keisuke Fujisaki认识到电工钢片的磁性能会受到压应力的影响，考虑应力的数值电磁计算是通过有限元的方法进行的(把每个单元中的应力视为磁导率)。将此方法应用于不同应力分布的电机中，以此评估方法的有效性。铁耗的分布几乎由应力的分布决定；与没有应力相比，铁耗增加的区域就是受压应力的区域；磁通趋于没有应力的区域；在应力作用下铁耗趋于增加；电工钢片的B-P曲线的特性会更差[2]。2013年,Zbigniew Gmyrek等提出了一种新的理论方法来评估冲压工艺导致的电工钢材料的破坏区域磁性能及其宽度[3]。

本文首先使用上海大学高密度永磁电机实验室设计的电工钢应力-磁性能测试平台，测试获得大量的考虑剪切应力的电工钢材料磁特性数据并进行了比较分析。提出考虑电工钢剪切应力的曲线拟合公式，基于JMAG仿真平台建立考虑电工钢剪切应力的IPM电机电磁性能仿真模型，仿真计算IPM电机铁心损耗，并与试验值进行比较。

1加工残余应力对电工钢电磁性能影响研究

冷轧电工钢片经剪切加工后，沿剪切分离线的边缘由于塑性形变引起了内部应力的积聚和物理性能的变化，从而导致冷轧硅钢片的导磁性能降低、铁耗增加。

1.1加工残余应力对电工钢电磁性能影响

为研究电工钢片的剪切形变与磁特性之间的关系曲线，本文使用单片电工钢测量仪SST测试由剪切得到的不同宽度电工钢片电磁性能。测试用电工钢牌号为B35AV1900，所测试的电工钢样片宽度分别为5mm、10mm、20mm。

图1所示为测量得到的样片宽度分别为5mm、10mm、20mm的电工钢片B-H和B-P曲线。分析可知，对于剪切的电工钢片试样，其磁通密度达到所期望的Bm时所需要的H随着试样宽度的减小而增大。即产生相同的磁密B，5mm时所需的磁场强度H最大，10mm次之，20mm最小。同时，随着测试样片宽度的减小，相同磁场条件下的电工钢单位损耗值上升。

1.2考虑剪切的电工钢片磁参数曲线拟合

剪切后的电工钢片边缘恶化区域内，材料的磁密降低，损耗增加，如不予以考虑，将严重影响电机铁耗计算的准确性。因此评估计算剪切后电工钢片边缘的恶化区域的宽度，以及测试确定恶化区域内材料的电磁性能，是分析研究电工钢剪切应力影响的关键。但是剪切后的边缘恶化区域的宽度还没有确切的测算方法，主要是因为恶化边缘的宽度与晶粒的大小、材料的纹理、测量方法和切割方法(冲压、剪切等)等因素有关[4-11]。

图1　不同宽度电工钢片的磁特性比较

剪切对电工钢片磁特性的影响可近似由图2所示的电工钢模型来模拟。图2中将平放的电工钢片分为区域A和区域B两部分，其中A为由于剪切加工而发生恶化的区域，B为未发生剪切加工恶化的区域。可以看出，在相同磁场条件下，区域A内的磁通密度明显小于区域B。不同的电工钢材料及剪切方法产生不同占比的区域A和区域B，就导致使B-H曲线和B-P曲线测量结果较理想电工钢磁性能有不同的偏差。

图2　冲剪造成的磁通偏移

由于剪切后的磁参数与被剪切的电工钢片的宽度有关，且恶化区域的宽度相对固定，故随着被剪切的电工钢片的宽度增加，未发生剪切加工恶化的区域B所占的比例越大，剪切后电工钢的恶化区域A对电工钢片的影响就越小。测量得到的不同宽度电工钢片的磁性能数据后，可使用式(1)计算被剪切的电工钢片的平均磁参数，从而模拟剪切后的不同宽度的电工钢磁参数。

(1)

式中：li——需要求解磁参数的电工钢宽度；

l1、l2——相邻的已测电工钢宽度；

f(l1)、f(l2)——对应磁密下l1、l2的磁参数；

f(li)——需求的li的磁参数。

2考虑残余应力的电机铁心电磁性能拟合

在考虑冲剪残余应力的电磁仿真计算中，由于无法准确确定恶化区域范围及恶化区域的电磁性能，故将边缘恶化区域的性能和未恶化区域的性能做综合等效。所以本文在进行电工钢片残余应力的仿真分析时，将电机的定子齿、定子轭和转子分别用不同宽度的拟合磁特性曲线近似等效。

图3　考虑冲剪边缘效应的电机铁芯磁特性拟合

本文以一台48槽8极的汽车驱动IPM电机为例，其电机定子轭宽度为14mm，转子宽度为27.6mm，定子齿宽度为6.54mm。使用已知的5mm、10mm和20mm宽度的电工钢磁性能数据，使用式(1)分别拟合14mm、27.6mm和6.54mm宽度的电工钢磁特性曲线如图3所示。拟合后的磁参数曲线即作为仿真时的电机定子轭、定子齿和转子的磁参数。

3考虑电工钢残余应力的电机仿真分析

3.1有限元建模

使用JMAG有限元仿真软件，将电机定子分为齿部和轭部两部分，按照铁心实际宽度分别设置铁心材料电磁参数并剖分网格，建立考虑电工钢冲剪应力影响的电机仿真模型。有限元仿真模型如图4所示。

图4　考虑剪切残余应力的电机有限元模型

3.2电磁性能仿真与比较

使用B35AV1900型电工钢片作为电机铁心材料，仿真比较未考虑剪切残余应力电磁仿真模型和考虑剪切残余应力的仿真模型。设置仿真条件为负载电流值为270A，电流角为38°，运动转速均设为3000r/min。图5和图6分别为空载反电势和气隙磁密空间波形比较。

对比图5和图6可知，两模型的空载反电势、气隙磁密空间波形基本一致。因为影响电机磁路及气隙磁密的铁心恶化区域主要为转子的边缘、定子齿的极靴以及定子轭的边缘，相对气隙磁阻

图5　空载反电势波形对比

图6　气隙磁密波形对比

在铁心磁路中所占的比例较小，所以对电机的空载反电势和气隙磁密影响较小。

分析图7可知，相对未考虑剪切残余应力电机仿真模型，考虑电工钢剪切残余应力影响的电机仿真模型的电机定转子铁心平均磁密较低，其中以定子铁心齿部、轭部和转子铁心外圆侧最明显。

图7　两种模型的磁密云图对比分析

仿真计算两种模型的空载和负载情况下的损耗情况汇总如图8所示。可以看出，相对未考虑剪切残余应力电机仿真模型，考虑电工钢剪切残余应力影响的电机仿真模型空载时定子轭损耗上升6.6%，定子齿损耗上升21%，总损耗约上升10%；负载时，恶化模型与无恶化模型相比定子轭损耗上升14.7%，定子齿损耗上升42.3%，总损耗上升23.4%。这是由于电机铁心冲剪边缘残余应力致使电工钢材料单位损耗增加，进而造成定子铁心损耗上升。另外因为转子损耗占比较小，误差较大，故本文不再分析。

图8　两种模型的定子铁心铁耗对比分析

4结语

本文基于电工钢应力-磁性能研究，使用JMAG仿真软件，建立了考虑电工钢剪切残余应力的电机电磁仿真模型，并进行仿真分析。仿真结果表明： 考虑电工钢剪切残余应力影响的电机仿真模型相对未考虑剪切残余应力电机仿真模型，电机空载反电势和气隙磁密波形变化不大，铁心磁场密度降低，空载和负载情况下定子铁心损耗分别增加10%和23.4%，更加贴近电机的实际情况。

【参 考 文 献】

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Considering the magnetic properties and stress of electrical steel-electric

car electromagnetic performance simulation calculation

HUANGSurong1*,XUZhixiang1,ZHANGQi1,CAOHaidong1,DONGXiaofei2

(1. Mechanical Engineering and Automation Institute, Shanghai University, Shanghai 200072, China;

2. Shanghai Motor Vehicle Inspection Center, Shanghai 201805,China)

Abstract：First, this paper aimed at the application technology of the motor vehicle electrical steel and electromagnetic performance simulation technology, carry out research of electrical steel iron loss, stress and magnetic properties of electrical steel, analysis of the shear stress influence on magnetic properties of electrical steel piece, and put forward considering the magnetic properties of electrical steel shear stress curve fitting formula.Then based on the stress and the magnetic properties of electrical steel, using JMAG software, the electromagnetic simulation model of IPM permanent magnet motor for electric vehicle is established. The electromagnetic properties of the motor are calculated and analyzed, and the simulation results are compared with the traditional electromagnetic model.

Key words：Electrical steel; stress; loss; JMAG

收稿日期：2015-06-10

中图分类号：TM 303

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)01- 0083- 05

作者简介：黄苏融(1953—)，男，教授，研究方向为电机及其应用控制。通讯作者为黄苏融。

*基金项目：国家863高技术研究发展计划(2012AA111302);上海市科委科技攻关项目(11521100503)