铸铜转子双三相异步电动机设计与优化

2020-05-25翟秀果李毅拓陈西山

微特电机 2020年5期

翟秀果，李毅拓，陈西山，何欣

(河南森源重工有限公司，长葛 461500)

0 引言

现今随着环境问题和能源问题的日渐突出，许多国家和地区先后颁布了新能源车辆强制使用法规和条例。以电动车辆为主的新能源车越来越被大众所接受，在道路交通工具中其占比不断提升[1]。

目前，国外最具代表性的电动汽车主要有以特斯拉 Model3、日产Leaf、宝马i3等为代表的纯电动汽车，和丰田Prius为代表的插电式混合电动汽车，以及丰田Mirai为代表的氢燃料电动汽车[2]。国内的新能源汽车研发虽然起步较晚，但已初具规模，依托国家政策的导向及广阔的市场需求，相关技术水平得到了不断提升。目前，市场上已经有大量的车型推出，以纯电动汽车为主，包括部分插电式混动汽车，涵盖乘用车、商用车以及专用车等领域，相关核心零部件及配套技术也逐渐完善[3]。

我国新能源汽车的销售量目前已超过美国，我国已成为全球最大的新能源汽车市场，但是核心技术仍然存在一些问题。首先，电动车目前的续航里程不足。续航里程不足的问题严重影响消费者的使用体验，制约着新能源汽车的发展与推广，是急需解决的重要问题，而电驱动系统作为新能源汽车的核心零部件起到至关重要的作用。为解决这些问题，要求电驱动系统能够提供高功率密度、高效率的解决方案。其次，电动车电驱动系统的可靠性也是重要问题之一[4]。一方面，现有驱动电机定子多采用三相绕组，一旦某一相出现故障将对电机的可靠运行产生巨大影响；另一方面，目前主流的永磁同步电机存在永磁体失磁，进而失去动力的风险，高速时还存在失控后反电动势过高的风险，严重影响电驱动系统的可靠性。

本文以一款9 kW铸铜转子双三相异步电动机为例，探讨铸铜转子的高效率性和双三相定子的高可靠性。传统异步电动机转子鼠笼导条为铸铝结构，转子电阻较大，电机运行时转子的损耗较大。若将铸铝鼠笼改为铸铜鼠笼将大幅降低转子电阻，从而降低转子发热，提高电机效率，节省电能，延长行驶里程。异步电动机因其转子结构中不含永磁体，不存在永磁电机的失磁问题，鼠笼转子的可靠性高于永磁电机，这也是蔚来电动汽车越来越倾向于使用异步电动机作为驱动电机的原因。另外，将三相定子绕组改为六相绕组，使定子具有较强的容错运行能力，从定子方面进一步提高电机运行可靠性。

1 动力匹配及电机性能

本文所研究的异步电动机拟用作小型代步电动汽车的驱动电机，该电机峰值功率需满足：

Pr=max{Pv,Pg,Pj}

(1)

式中：Pv为电动汽车最高车速行驶时所消耗的功率；Pg为电动汽车的最大爬坡功率；Pj为电动汽车水平加速功率。

(2)

(3)

(4)

式中：ηt为机械传动效率；M为整车质量；g为重力加速度；fr为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；Af为车辆迎风面积；δ为汽车的旋转质量换算系数；v为车辆速度[4]。

根据车辆具体参数，计算所需驱动电机的峰值功率Pr=9 kW。由车辆行驶速度计算电机峰值转速n=2 000 r/min。

由公式：

(5)

计算电机峰值转矩TN=43 N·m。

根据异步电动机解析和实验方程确定电机主要尺寸，其中定子内径：

(6)

式中：p为极对数，考虑到控制器开关频率，本电机取值p=2；ρ为长度与极距比值，本电机取值1；αp为极弧系数，本电机取值0.7；Kf为气隙磁通波形系数，取值1.11；Kw为分布绕组系数，本电机拟设计为单层绕组，取值0.96；A为电负荷，取值40 kA/m；B为磁负荷，取值0.8 T；Pr为电机峰值功率；n为峰值转速；ε为反电动势与额定电压比值，本电机取值0.9；η为电机效率，暂取值0.92；φ为功率因数角。

根据式(6)计算电机定子内径尺寸Dsi=12 cm。

电机铁心有效长度根据公式：

(7)

进行估算得L=10 cm。

本电机拟采用铸铜鼠笼转子结构，鼠笼导条和端环为一体压铸而成，可以提高电机输出效率。另外，为了提高定子绕组容错运行能力，本电机定子采用双三相绕组，分别为A，B，C和U，V，W，双三相间相角关系如下：

(8)

用相关数值在Maxwell软件中进行解析计算，得到电机基本参数，生成二维模型如图1所示，双三相电机参数如表1所示。

图1 9 kW双三相异步电动机一对极剖面图

表1 铸铜转子双三相异步电动机参数

计算得到电机输出峰值状态功率和转矩，如图2所示，从图2中可看出,计算所得电机输出特性满足车辆动力要求。

图2 电机输出特性

2 对比分析

为了说明双三相铸铜转子异步电动机的高效率和高可靠性特点，进一步仿真计算相同尺寸参数下铸铜转子与铸铝转子的效率差异，然后仿真计算电机在缺相运行时输出特性差异。

2.1 铸铜转子和铸铝转子电动机效率对比

用有限元软件计算铸铜鼠笼转子异步电动机效率分布如图3所示。计算铸铝鼠笼转子异步电动机效率分布如图4所示。

图3 铸铜转子鼠笼电机效率分布

图4 铸铝转子鼠笼电机效率分布

铸铜转子和铸铝转子在电机低速恒转矩区域效率差别较大，该区域电机大转矩输出，需要较高的励磁电流，电机的损耗主要为铜耗，而铜材料电阻率远低于铝，所以铸铜转子在该区域平均效率要高出铸铝转子，从图3和图4中可以看出,低速区铜材料转子效率比铝材料转子的电机效率平均高出10%～15%。高速区域两种电机效率差别不大，这是因为高速运行时电机转子励磁电流较小，转子铜耗不再是主要损耗，而是电机铁耗、摩擦损耗以及定子铜耗，随着转速升高，转子铜耗在总损耗中的占比越来越小。

2.2 三相和双三相异步电动机缺相运行对比

三相异步电动机外部电路图如图5所示，双三相异步电动机外部电路图如图6所示。

图6 双三相电机外部电路图

经过计算三相电机和双三相电机在绕组正常工作的情况下输出转矩一致，电机从起动到稳定的转矩曲线如图7所示。

当A相断路时，三相异步电动机的正序电路和负序电路为反向串联，此时等效B,C相的等效电路图如图8所示。三相电机在对称电压供电情况下起动，稳定工作后在0.2 s时A相断路，此后电机转矩出现剧烈波动，波动幅值-5 N·m～75 N·m，整个过程电机输出转矩波形如图9所示。

图7 电机输出转矩曲线

图8 三相电路A相断路

图9 三相电机缺相运行输出转矩曲线

对比计算双三相电机在A相突然断路的输出转矩，发现转矩也存在波动，但是波动幅值为30～55 N·m，转矩波动明显减弱，若在0.3 s时在控制器内将有断路的三相绕组整体切掉，只留另外三相工作，电机此时变为三相运行，输出转矩又可以恢复稳定，转矩为40 N·m。双三相电机从起动到稳定，然后A相断路运行，再到单三相运行，整个过程的输出转矩波形如图10所示。

图10 双三相电机缺相运行输出转矩曲线

从图9和图10可以看出，在对称电压供电的情况下，三相电动机在定子有一相断路之后转矩出现剧烈波动，会导致电机严重过热而损坏；而双三相电机在定子有一相断路之后转矩波动较弱，短时间内不会造成电机运行故障，使双三相电机有足够多的时间切换为单三相运行，虽然转矩略大于峰值，但可以维持车辆继续行进至检修区，因此双三相电机对比传统三相电机，可靠性得到了有效的提高。

3 优化方案

根据电动汽车常用工况要求，希望电机在中速段具有高效率输出特性，但从图3看出，电机高效率区集中分布在低速区，为了优化电机高效输出方案，降低高速时铁耗，需要对电机参数进行调整。在不增加电机体积的条件下适当增加低速部分铜耗，即调整定子和转子槽截面面积，逐渐增加电机电负荷，降低电机的磁负荷。经过参数化仿真计算得到最优效率map的定转子槽型。

优化前后电机定子和转子槽型如图11所示。定转子槽缩小后电机的二维剖面图如图12所示。