电动汽车增程器发电机解析法效率优化设计

2020-05-29吕海英王晓远

微电机 2020年4期

吕海英，孙强，王晓远

(1.天津农学院工程技术学院，天津 300392；2.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072)

0 引言

增程式电动汽车是基于纯电动汽车的基础，额外装备一台小型的辅助发电设备以备电池电量不足的时候为整车提供维持运行的动力或为电池补充电量。这个小型辅助发电设备被称为增程器。利用比较轻便且相对便宜的增程器解决了用户对纯电动汽车的“里程焦虑”。

由于增程器的输出与车轮没有机械连接，因此增程器的工作点脱离实际工况的限制，有利于发动机最优燃油消耗和发电机的效率优化控制[1-2]。增程器中的发动机与发电机通过机械连接将机械能转变为动能，因此增程器专用发电机需要满足体积小、重量轻、可靠性高、工作区内效率高、噪声低、环境适应性好等特点。基于以上应用特点，本文选用内置式永磁同步电机作为增程器发电机及发动机的起动电机。丰田公司开发的Prius及AVL公司开发的增程式电动车上均采用这种电机类型[3]。

增程器发电机根据电池容量的大小及控制策略的不同向蓄电池组或者电动机提供能量和功率，由于增程器在结构及性能方面均有特殊的要求[4-6]，使得发电机的设计标准不同于传统的发电机。虽然利用有限元算法不需要简化电机结构并能够获得精确的磁场计算结果，但对于设计初期且电机设计需要满足多目标约束的情况下，有限元方法不利于电机的优化设计且耗费时间。本文通过合理的假设，给出增程器发电机简化的等效磁阻磁路，利用解析方法计算电机的电磁参数及输出特性。考虑到增程器发电机作为发动机的起动电机时，磁路可能存在饱和从而引起的参数计算的非线性化问题[7]，采用迭代算法获得更精准的起动转矩。依据设计约束及磁阻磁路的解析算法设计增程器发电机的快速设计优化程序，最后利用有限元仿真进一步验证解析计算的结果并对设计参数进行修正。

1 电机等效磁路模型的建立

电磁场的计算是基于磁通的分布，通过气隙磁通密度计算磁链和感应电动势。为了计算磁通分布，首先需要建立内置式永磁同步电机的永磁磁通模型。通过以下合理假设简化计算。

(1)材料具有均匀的各向同性的特性。

(2)气隙中每个磁极上的磁通密度分布是均匀的。

(3)每个定子槽下的有效磁通垂直穿过气隙。

(4)仅含有径向磁通，忽略轴向磁通。

(5)感应电动势为完美正弦波。

(6)相电流为完美正弦波。

(7)不考虑定子齿槽效应。

增程器发电机受到安装空间的限制，电机功率密度是一个重要考核指标。因此在除了考虑齿槽转矩和噪声外，更应重点从损耗进行全面考虑。综合衡量电动汽车电机低噪声、低损耗以及高功率质量比需求，优选6极36槽作为定子最佳极槽配合[7-8]。图1为选用的内嵌式永磁同步发电机定转子结构及结构参数变量定义。

图1 永磁同步电机尺寸结构图

图中，bs0为定子槽顶部宽度；bs1为定子槽内径宽度；bs2为定子槽外径宽度；hs1为定子齿靴高度；hs2为定子槽高度；hsy为定子齿轭高度；wst为定子齿宽；rr0为转子外径；rs0为定子外径；hm为永磁体径向厚度；bm为永磁体宽度；δ1为气隙长度，αp为极弧系数。

基于上述的假设条件和电路理论可以计算有效的气隙磁通。永磁体可以表示为一个恒定的磁通源，内置式永磁同步电机的主磁路由气隙、定子齿、定子轭、转子轭组成。考虑永磁体极间漏磁和端部漏磁的影响[9]，图1结构的电机模型可以用磁阻磁路表示，如图2(a)所示，图2(b)为等效简化后的磁阻电路图。

图2 内置式永磁同步电机磁阻磁路

图中，Rm、Rml、Rmm、Rg、Rry、Rsy、Rst分别表示永磁体磁阻、端部漏磁磁阻、永磁体间漏磁磁阻、气隙磁阻、转子轭部磁阻、定子轭部磁阻以及定子齿部磁阻。根据图1中的结构参数可以获得图2磁路中各磁阻的表达式。其中：

(1)

图2(b)等效后磁路的总磁阻可以表示为

(2)

式中，l1为定子铁心轴向长度；b1为永磁体间端部宽度；t1为隔磁桥宽度；为磁极间距离；p为极对数；Qs为定子槽数；Φr为永磁体剩磁磁通；k1为定子齿对应磁极下磁通量分布系数；μ0为空气磁导率；μr为永磁体的相对磁导率；μry_steel为转子铁心轭部的相对磁导率，其与转子轭部磁密呈非线性关系；μsy_steel为定子铁心轭部的相对磁导率，其与定子轭部磁密呈非线性关系；μst_steel为定子齿的相对磁导率，其与定子齿部的磁密呈非线性关系。已知磁导率与磁密的关系曲线，可以利用迭代的方法计算磁阻。

增程器中的电机通常工作在发电机状态，其与整车驱动系统没有直接的机械连接，使得发电机的工作点比较稳定。因此正常工作状态下，发电机中定转子齿轭部的相对磁导率很大，磁阻很小，铁心的磁阻对整个磁路计算的影响很小，可以忽略不计。但当增程器中的电机作为发动机的起动电机使用时，需要考虑铁心磁阻成分对磁路的影响。

2 关键参数的解析计算

2.1 主磁路磁场的解析计算

剩磁磁通Φr可以通过永磁体材料特性中的剩余磁通密度Br和工作温度To计算：

(3)

根据戴维南的叠加定理，图2中各支路磁通可表示为图3(a)与图3(b)磁通的叠加。

图3 磁通戴维南等效电路

其中：

Φm=Φm1+Φm2

(4)

(5)

(6)

则气隙磁通Φg可以表示为

(7)

(8)

(9)

基于上述假设条件，气息磁密Bg(θ)随转子角度θ变化的函数表达式为

(10)

2.2 感应电动势的解析计算

根据第1节的假设条件，感应电动势为纯正弦波，仅考虑计算感应电动势的基波成分。根据麦克斯韦第二方程可得：

(11)

式中，kdp为绕组因数；ωr为转子旋转的角速度。

则电机各相的感应电动势表示为

(12)

则感应电动势的有效值为

(13)

2.3 起动转矩的解析计算

增程器发电机可以作为发动机的起动电机，将发动机高速加速至怠速转速后，发动机开始气缸内的燃烧过程。这种结构取代了原有的发动机起动机，且快速加速至怠速能够降低发动机起动时的燃料消耗、改善排放。因此设计发电机时还需考虑起动转矩是否满足起动需求。起动时，大的起动电流将在定子中激励出较大的磁场，定子铁心可能发生饱和，则定子齿与定子轭部的磁阻随磁密的增加而非线性增大。此时定子铁心中的磁阻成分不再同发电工作状态一样可以忽略磁阻的影响，且定子绕组中电流与转矩的关系不再是线性关系，需要更大的电流产生所需要的起动转矩。

当铁心发生饱和时，利用洛仑兹力方程计算起动转矩Tstart。

(14)

(15)

由于起动电流较大，将产生较大的电枢反应磁密。铁心的相对磁导率μr_steel与铁心磁密Bsteel呈现函数关系，使用迭代计算的方法计算起动转矩。计算设计起动电流下所产生的转矩是否满足发动机起动转矩需求。如图4所示，当起动电流大于50A时，由于定子铁心磁密的增加，铁心磁阻增大，起动转矩与起动电流呈非线性关系，即获得大于80N·m以上的起动转矩需要更大的起动电流。