永磁轮毂电机的前瞻式研究探讨
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更新时间: 2024/10/22

一、前言

众所周知,轮毂电机驱动技术是电动汽车领域的先进代表,它将电机、减速器和制动器集成于一体,直接安装于轮辋内,使车轮本身成为动力单元。这一设计极大简化了车辆传动结构,为车内安装更多电池组提供了便利,同时增加了车辆内部空间。然而,该系统也面临一些挑战:首先,簧下质量较大,可能影响整车的操控性能;其次,为确保刹车助力,系统需依赖电动真空泵,该泵在制动过程中需持续运行,从而不断消耗电池电能;再者,轮毂电机系统以其高功率密度著称,但伴随而来的是较高的损耗功率,加之有限的工作空间,对系统散热构成挑战;最后,鉴于其工作环境复杂多变,为确保系统可靠性,对密封性能提出了更为严格的要求。


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二、轮毂电机的不同类别

1、 永磁记忆轮毂电机

轮毂电机面临双重挑战:既要实现低速大转矩,又要保证高速高功率,这两个需求相互冲突,难以兼顾。为此,永磁记忆电机通过创新技术应对,它利用高剩磁低矫顽力永磁材料的独特不可逆退磁特性,灵活调节d轴电流脉冲,以在线控制永磁体的剩磁,实现磁化调整。在轮毂电机的全速域范围内,该技术能根据转速变化,对永磁体实施差异化磁化策略,从而整体提升电机的运行性能。然而,当前记忆电机作为轮毂电机应用时,仍面临几大难题:首先,转矩密度难以企及钕铁硼稀土永磁电机的水平;其次,轮毂电机对过载能力有较高要求,若磁路设计不当,易引发退磁风险;再者,在线调磁控制机制虽有效,却也带来了励磁损耗,导致电机温升加剧,系统效率受损。

记忆电机大体可以分为两类:交流脉冲调磁型永磁电机,电机定子绕组同时兼具驱动和控制两种功能,基于矢量控制方式调节永磁体剩磁;直流脉冲调磁型永磁电机,电机有两套绕组分别为驱动绕组和调磁绕组,其通过调节励磁电流的大小和方向对永磁体的磁场进行调节,目前研究主要集中在双凸极电机上。

交流脉冲调磁型记忆电机主要分为单一永磁型和混合永磁型两种。加拿大康考迪大学的学者创新性地提出了一种新型含铝镍钴磁体的变磁通电机。该电机以具备聚磁功能的切向充磁永磁电机转子结构为基础,通过独特设计:在转子上沿d轴方向增设磁障,以降低q轴电流导致的铁心磁场饱和现象,进而增强对电枢d轴电流脉冲调节永磁体剩磁的能力。同时,结合使用高剩磁、低矫顽力的永磁材料,该电机不仅实现了与稀土永磁同步电机相媲美的转矩密度,还在广泛的速度范围内保持了高效运行。

2、 轻稀土和无稀土永磁电机

在采用轮毂电机驱动的车辆中,每台车辆通常需要配备多台轮毂电机,这一特点使其在成本上与集中驱动型车辆相比处于不利地位。为了缓解这一成本压力并减少对稀土——一种国家战略资源——的依赖,研究人员正致力于降低永磁体中的稀土含量,旨在实现永磁电机的轻稀土化乃至无稀土化。然而,尽管这一努力具有显著意义,但相较于传统的稀土永磁电机,此类电机在作为轮毂电机应用时,仍面临一些挑战。具体而言,其磁体中较低的剩磁和矫顽力特性,导致电机的转矩密度和可靠性相较于稀土永磁电机有所降低,进而增加了设计上的难度,并使得转子结构更为复杂。

少稀土永磁电机通过采用铁氧体替代部分稀土永磁材料,显著降低了稀土永磁材料的使用量,或通过增加磁阻转矩在总转矩中的贡献比例,减少了稀土永磁体的用量。研究人员巧妙地将混合永磁材料与具备聚磁效应的轮辐式转子相结合,成功研发出一台功率达5kW的少稀土永磁无刷电机。如图所示,该电机能够承受2至3倍的过载,充分满足了电动汽车频繁起停的工作需求。此电机的永磁体设计采用了钕铁硼与铁氧体的结合方式,此举不仅有效减少了钕铁硼永磁体的使用量,控制了成本,而且通过两种永磁体的并联使用,相较于单独使用铁氧体,不仅提升了电机的转矩性能,还显著增强了电机的抗退磁能力。


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更进一步的是无稀土技术,其主要技术路径聚焦于两大方向:一是利用非稀土元素全面替代稀土元素,特别是在铁氧体助磁的同步磁阻电机中,这类电机的电磁转矩主要由磁阻转矩贡献;二是开关磁阻电机技术,它完全摒弃了对磁体的依赖。针对铁氧体助磁的同步磁阻电机,为了提升永磁电机的输出转矩,我们可采用两种策略:一是增强电机的磁阻转矩,二是优化永磁转矩,以此实现更高效的转矩输出。为提升无稀土永磁电机的永磁转矩,研究人员引入了具有聚磁特性的spoke型转子结构及增加电机铁氧体材料用量的策略。鉴于铁氧体材料矫顽力较低的特性,电机设计特别注重增强其抗退磁能力。主要方法包括:(1)通过增加电机旁路漏磁通路径,有效减少直接穿越永磁体的退磁磁通量;(2)降低d轴磁导率,以此提升电机的凸极比,进而增强电机的转矩输出性能;(3)采用分布绕组设计,有效降低电机d轴电感,优化性能;(4)实施定转子铁心不等长结构,并使永磁体略微凸出转子铁心,这一创新设计在提升电机转矩的同时,也显著增强了永磁体外边缘的抗退磁能力——永磁体的退磁率降低至0.34%,远低于0.5%的目标值,且电机的最大转矩也超出了预设目标。3、定子励磁型永磁电机

定子励磁型永磁电机通过将转子永磁体移至定子侧,成功解决了常规轮毂电机中永磁体冷却的难题。其转子则采用普通的凸极结构,这种结构因具备高机械强度而特别适合高速运行。该电机基于开关磁通电机的工作原理设计,但这一特性也带来了绕组中电流谐波较高的问题,进而增加了电机损耗,降低了效率,并导致较大的转矩脉动,影响了车内乘客的舒适度。目前,国际上对定子励磁型永磁电机的研究仍处于初步理论探讨与样机制作阶段。相比之下,国内的研究更是处于起步阶段,主要成果集中在参数计算与建模分析上,实际应用案例尚不丰富。根据电机的不同结构形式,定子励磁型永磁电机可细分为磁通切换电机、定子永磁型混合励磁双凸极电机以及磁通反向电机三大类。

磁通切换电机于1997年由法国学者提出,其拓扑结构如图a所示,设计简洁且便于控制。然而,在保持定子内径相同的情况下,电机的绕组和永磁体用量之间存在相互制约的关系,这阻碍了电机功率密度的进一步提升。此外,定子铁心的高饱和程度也对电机的运行性能产生了不利影响。为解决磁通切换电机中绕组与永磁体用量相互制约的难题,2014年研究人员创新性地提出了定子分区结构的磁通切换电机。这款电机巧妙融合了双定子电机与磁通切换电机的优势,通过将永磁体置于内定子上,实现了电机内部空间的优化利用,从而有效缓解了永磁体与绕组之间的限制问题,如图b所示。


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定子永磁型混合励磁双凸极电机,其定转子均采用双凸极结构。转子为常规凸极磁阻转子,而定子轭部则嵌入径向充磁的永磁体。定子绕组设计为集中绕组形式,包含电枢绕组和电励磁绕组两套,其中电励磁绕组置于与永磁体相邻的槽内,以调节气隙磁场,从而拓宽了电机的转速运行范围,并在整个转速区间内保持了较高的运行效率。磁通反向电机,作为一种融合了磁阻电机与永磁电机优势的新型双凸极永磁电机,其定子铁心齿表面装有一对极性相反的永磁体,转子则沿用常见的凸极磁阻转子。该电机显著特点包括:适应高转速运行、结构紧凑、机械强度高、转动惯量小、加工简便、功率密度大、电机时间常数短以及换向便捷等。

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三、轮毂电机的噪音优化方法

轮毂电机作为分布式驱动的核心部件,具有调速范围大、转速高等特点,但同时作为电动车部分,与传统发动机比较,仍存在刺耳的噪声,在用户需求不断提升的时代,如何降低电机振动噪声迫在眉睫。

1、 电机设计

研究人员以10kW电机为研究对象,成功探索出降低轮毂振动噪音的有效方法。假定该电机性能卓越,最高效率超过95%,额定转速设定为500r/min,而最高转速可达1500r/min,其额定转矩为191Nm。为便于安装,电机转子的内径和外径分别设计为285mm和320mm。电机气隙长度的计算则依据特定公式进行。


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考虑到电机长时间过载运行的情况,并结合经验漏磁系数,经计算确定气隙长度为2.3mm。由于转子结构包括表贴式和内置式两种,从加工和装配工艺的便捷性出发,可优先选择表贴式转子结构,因其操作简单且安全可靠。

每相导体数、电流、每槽导体数见下式,考虑到减少三次谐波,电机采用Y型接线。


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在选择电机极槽时,需考虑轮毂电机与车轮直接相连的特性,这限制了其转速不宜过高,因此多采用多极电机设计。一般而言,极数增加会导致铁耗上升,进而增加电机成本。在满足输出需求的前提下,应倾向于选择低极数以降低成本。另一方面,槽数的增多能有效降低电机的齿槽转矩,使电机在负载运行时更为稳定。综上所述,需通过精确计算来确定最佳的极槽组合,经分析,10极36槽的配置为最优选择。

研究发现轮毂电机中径向电磁力的频率与谐波之间存在密切关系。径向电磁力,作为电机电磁振动的主要诱因,源自于转子永磁磁场与定子电枢反应磁场之间的相互作用。基于这一发现,研究人员为了优化电机的电磁结构并降低振动,着重在削弱径向电磁力,从而达成电机振动与噪声减小的目标。

轮毂电机绕组分为整数槽和分数槽两种。分数槽的优势在于端部较短,损耗较低,效率较高,但其缺点是可能引发电机谐波磁动势,导致共振现象。而整数槽的优点则是输出转矩大,但缺点是槽数较多,端部跨距较长,从而导致效率相对较低。鉴于电机安装空间的有限性以及降低齿槽转矩的需求,通常采用分数槽集中绕组的方式。

2、 噪声抑制分析

人类耳朵能够接收到的振动波频率范围在20Hz至20kHz之间。人类对于声音大小的感觉与声压值成正比,因此,声压可以作为衡量声音大小的客观标准,替代人耳主观的听觉感受。在电机设计过程中,工程师需依据电机的噪音特性,合理采取措施,以有效削弱电机噪声带来的不良影响。

电机产生的噪声物理量度包括声功率级、声压级、声强级、频谱曲线、响度和响度级等几种。在选择电机噪声的仿真模拟模型时,需关注电机外层结构形成的包络面。基于机壳观测点的声压级频谱曲线进行分析,利用电磁仿真软件,根据电机尺寸设计相应的圆柱体模型,设定噪声在空气中的传播为媒介,进行轮毂电机噪声的仿真模拟。仿真结果显示,噪声的最高峰值主要集中在375Hz、583Hz及916Hz附近。参照国家标准并结合汽车轮毂电机的实际情况,要求轮毂电机的声压级应低于60dB。然而,初步方案的电机噪声值并未达到此标准,需要进一步优化。

转子结构分为内置式和表贴式两种,如图所示。内置式转子结构能够调整不对称磁路,从而提升电机性能。然而,其缺点在于磁路磁漏设计复杂,以及内置式的加工和装配工艺要求高、难度大。相比之下,表贴式转子结构更为简单,漏磁门槛低,且能在相同输出转矩下实现电机重量的减轻。


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对比两种结构仿真结果,表贴式电机转动脉动为2%,内置式为6%;表贴式电机的齿槽转矩为0.4N/m,内置式为1. 2N/m,因此综合考虑,表贴式优于内置式。

极弧系数的不同会导致电机齿槽转矩产生变化。为探究这一变化如何影响电机噪声,我们进行了仿真,模拟了不同极弧系数下由转矩脉动引起的电机噪声。仿真结果展示于下图。观察图示可知,当极弧系数为0.75时,电机噪声达到最低水平。因此,建议选取0.75作为最优的极弧系数。


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定子冲片开槽会改变转子磁路,其中槽的数量与尺寸均能显著影响电机的转矩特性和噪声特性。通过对比无槽与单槽结构的声压级见下图,可明显观察到单槽结构电机的噪声较低。这归因于辅助槽的增加有助于降低径向电磁力波,但需注意槽口宽度不宜过小,否则效果不佳;同时,槽口也不宜过宽,以免对磁路造成不利影响。因此,槽口宽度通常设定在1mm至4mm之间。双槽结构则进一步细分为等宽与不等宽两种类型。其中,不等宽结构因其能更有效地调节磁路而被选用。具体设计中,槽口大小分别设定为1.5mm和4mm。从图中数据可见,在频率低于750Hz的范围内,采用不对称双槽结构的电机噪声最低。


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3、 电机性能仿真分析

通过仿真分析可知,电机在空载状态下,其磁力线和磁密分布均正常,无异常现象。空载时的反电动势波形如图所示,其有效值为367V。进一步分解波形,我们发现7次谐波的幅值最高,仅占基波的0.73%,而其余谐波成分均较低。齿槽转矩的显著波动会导致电动汽车运行不平稳,从而降低乘车的舒适度。经精确计算,齿槽转矩占额定转矩的比例仅为0.15%,且其峰值较小,为0.33Nm。


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负载运行时,根据电动汽车用驱动电机系统的国标技术要求,电机效率高于或等于80%的工作区间被定义为电机的高效运行区。针对10kW电机,在平均转矩为190Nm的条件下,通过计算与分析得出,当转速低于或等于1200r/min时,该区间均属于电机的高效区,满足效率高于80%的要求。因此,上述优化方法已证实可行。

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四、未来展望

新能源汽车市场的快速增长为轮毂电机行业提供了广阔的市场空间,‌尽管当前轮毂电机技术尚不成熟,‌无法大规模商业化,‌但其作为未来纯电动汽车驱动解决方案的潜力不可限量。因此将不断促使轮毂电机的技术发展。其中新材料与新工艺在轮毂电机领域的应用前景将更加广阔。材料技术的革新有望打破轮毂电机电磁负荷对体积的限制,推动研发进程,包括高导磁低损耗磁性材料、低电阻率导电材料、高效导热绝缘材料以及低密度高强度结构材料的开发。这些创新将减少电机损耗,减轻质量,并增强电机内部的热传导能力,从而提升轮毂电机的功率与转矩密度。同时,电机工艺的革新将基于现有材料,通过多样化的工艺结构设计,实现电机低损耗、轻量化及高效冷却的目标。


注:文章中引用数据和图片来源网络