新能源汽车增程器用外转子永磁同步发电机设计

谢培利，席荣盛，崔 友

0 引言

电动汽车配置増程器属于重度混合动力汽车，节油率可以到达30%~50%.可以有效增加电动汽车的一次充电续行里程，降低车载电池的成本和重量。受车辆安装空间的限制，要求增程器用永磁同步发电机的性能良好，具有高效率工作区域占比高的要求，并要求发电机的功率密度高和体积小。外转子永磁同步发电机具有结构简单，运行可靠；体积小，功率密度高；损耗小，效率高，高效率工作区域占比高；外转子永磁同步发电机与内转子永磁同步发电机相比，电机具有更高的功率密度，电机转子散热条件由于内转子，在同样的电机重量下可以获得更大的转动惯量，不额外增加飞轮机壳满足增程器的平稳运行等优点。本文研究的增程器用外转子永磁同步发电机用于4.5 t轻卡、8~12 m公交大巴，电压平台为540 DCV.本文设计了一款额定转速3 050 r/min，24槽32极的外转子三相永磁同步发电机，给出了设计思路，并利用JMAG建立了这款发电机的二维有限元仿真模型，对模型的定转子结构、磁路分布情况，电机的反电势、功率输出、效率区域进行仿真，并在此基础上制造出样机，完成空载测试、负载效率等测试，验证了二维有限元仿真性模型的正确性和分析的准确性。

1 增程式增程器用外转子永磁同步发电机设计

1.1 主要技术指标

本方案的发电机额定直流母线电压540 DCV，额定输出功率在3 050 r/min时等于63 kW，最大输出功率在2 500 r/min时大于87 kW，最高工作转速5 000 r/min.最大输出转矩332 N·m，额定效率大于96%，在工作区内效率大于85%的区域占比大于85%.

1.2 发电机主要尺寸的确定

电机在设计过程中，需要考虑的主要尺寸是电枢直径Di1、铁芯长度Lef、长径比λ=Lef/Di1.由电机主要尺寸[1]关系可知：

式中：Temmax为最大转矩（N·m），Bδ1为气隙磁密基波幅值（T），A为定子电负荷有效值（A/cm）.

在保证发电机动态响应性能指标的条件由以下关系式[1]可知：

式中：p 为电机极数；tb为电机加速时间（s）；ωb为电机基本转速（rad/s）；ρFe为转子材料密度（g/cm3）.电机的长径比影响电机的性能和成本，一般在内转子电机中长径比在0.6~1.5之间浮动。在增程器用

式中：Tem为电磁转矩（N·m）；ψm为磁链最大值（wb）；IDC为控制器输入电流（A）.

电机的极数与电机的电磁转矩成正比。在磁链和电流被限定的情况下，综合考虑电机的尺寸要求，电机极数越多越能获得大的转矩。外转子电机定子位于里面，如采用常用的整数槽分布式绕组，在极数多的情况下，槽数将比较多，而槽的尺寸将比较小，造成槽的利用率小。分数槽集中式绕组相比分布式绕组的端部短，使电机的总体长度小，可以减少电机的铜耗，具有较高的功率密度和效率。通过优化设计，可以使电机的电流谐波小、齿槽转矩小[2]。

1.4 永磁体的设计

增程器用永磁同步发电机与汽车内燃发动机连接在一起，发电机所处的环境温度较高，发电机的内部温度相对较高，因此需要永磁体具有较高的工作温度；而且发电机的体积小，功率密度密度大，需要永磁体具有剩磁、矫顽力、最大磁能积高等特点。钕铁硼永磁材料正是具有以上特点，并具有良好的机械性能，方便加工和安装，最高工作温度200℃的永磁体已经大批量生产，具有优秀的性价比。

外转子磁极结构有瓦片、式圆筒式和一字式。本方案的发电机采用一字式磁极，如图1所示。外转子发电机中由于受到安装尺寸的制约和需要转动惯量大的要求，外转子发电机的长径比相比内转子电机小。

1.3 发电机极数与槽数的确定

发电机的极数受到发电机的最高转速和控制器允许的最大输出频率限制。由电机的电磁转矩关系可知[1]：

图1 一字式磁极形状

永磁体采用一字式磁极，通过优化，可以使气隙磁密接近正弦，并有效地控制谐波的产生。采用瓦片式在生产时产生的废料较大，生产成本和价格高；圆筒式由于圆环较大而且极数多，现有的工艺无法批量生产。

在永磁电机的设计中，永磁体尺寸的选择非常重要。永磁体作为主要的磁通提供源，在设计中可以通过需要的气隙磁密来预测确定永磁体的尺寸，根据永磁体的退磁工作点来确定厚度，根据反电势的大小俩选取永磁体的宽度。再根据设计的其他要求不断优化调整。发电机在运行时，必须保证电机在极端情况下永磁体不失磁和去磁而影响发电机性能。需要合理地设计永磁磁路的工作点，并进行去磁校核计算。

2 增程式增程器用外转子永磁同步发电机的仿真

通过JMAG设计软件进行有限元分析，其基本步骤如下：

（1）使用JMAG-Express进行初步计算，并导出JMAG-Designer 2D分析模型。

（2）对2D模型进行参数化处理。

（3）重新定义及材料分配。

（4）网格划分。

（5）定义加载激励源。

（6）求解参数设定。

（7）求解及后处理[3]。

发电机JMAG-Express模型如图2所示，JMAGDesigner 2D分析模型结构示意图如图3所示，主要结构参数如表1所示。

图2 JMAG-Express模型

图3 JMAG-Designer 2D分析模型

表1 发电机主要参数表

3 增程式增程器用外转子永磁同步发电机的有限元仿真结果和分析

3.1 求解后的磁场和磁密分布

电机模型求解后，可以得到一系列的参数曲线和图表，例如磁密云图、反电势波形、电流-转矩图、效率MAP图。瞬态分析是由一系列的静态分析组成，不同时刻对应不同的磁密分布。

3.2 磁密云图

发电机由永磁体产生的磁密云图和磁势云图如图4所示。齿部尖角处局部饱和、最大磁密1.98 T.

图4 磁密云图

3.3 空载反电势波形

发电机的反电势波形如图5所示，空载反电势的有效值为1 V，反电势中包含着一定的谐波含量。通过优化转子磁路结构，调整定子齿的弧极尺寸和宽度提高气隙磁密的正弦度，减少反电势的谐波含量。

图5 空载反电势波形图和傅里叶分解图

3.4 电流—转矩转速关系图

增程器用发电机在工作，不是工作在一条转矩曲线上，而是在一个区域工作。因此在不同转速下不同转矩时具有不同的电流。发电机的电流—转矩转速关系图如图6所示。

图6 电流—转矩转速关系图

3.5 效率MAP图

发电机在540 DCV电压平台下，发电机的效率MAP图如图7所示。发电机的最高效率达到96.79%，效率大于85%的区域大于98%，通过采用集中绕组减少铜耗、采用低损耗铁芯材料、优化发电机水冷散热效率等措施，降低损耗，达到提高效率的目的。

图7 效率MAP图

4 制作样机实验验证

按照前述设计制作样机并进行实验，实验样机如图8所示。

图8 实验样机

实验条件如下：环境温度：23~24℃，湿度：64~75%，冷却水温：65℃，直流电压：540 DCV，用电力测功机台架和汽车电机控制器进行测试。测试样机的部分负载测试数据如表2所示，样机的效率MAP图如图9所示。

表2 样机负载部分测试值

图9 效率MAP图

从表2和图9可以看出，发电机在进行负载测试时，发电机的最高效率达到96.21%，效率大于92%的区域大于85.4%，电机的高效率占比较大，并且高效区位于发动机常用高效区转速2 500~4 000 rpm，转矩100~250 N·m区域，达到电机的设计指标。

在额定电压下，计算理论值和样机测试值进行比较，如表3所示。从表3中可以看出，计算理论值和样机测试值的误差在0.1%~1.6%，验证了本方案的可靠性和数学模型的正确性。

表3 计算值和测试值

5 结束语

本文借助JMAG电磁仿真软件建立外转子永磁同步发电机模型，完成了对外转子永磁发电机的仿真研究。并制作样机，对样机的测试值和理论计算值进行对比，结果比较准确地反映了电机的反电势、转矩、磁密分布、效率区域，为设计外转子永磁同步发电机的计算模型提供了基础，缩短产品的开发周期。

[1]唐任远.现代永磁电机理论和设计[M].北京：机械工业出版社，1997．

[2]王爱萌.新能源汽车新型电机的设计及弱磁控制[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]陈俊峰.永磁电机[M].北京：机械工业出版社，1983.

[4]Vaclavek P，Blaha P.Interior permanent magnetsynchronous machine field weakening controlstrategy-the analytical solu tion[C]//InternationalConference on Instrumentation，Control andInformation Technology，2008：753-757.

[5]李春艳，寇宝泉，程树康.永磁同步电动机弱磁扩速概况[J].微特电机，2008，36（1）：58-60.