轴向磁通电机设计与分析
作者 | 金良宽，徐 松，谭磊鑫
本文研究的轴向磁通永磁同步电机用于纯电动客车，针对该电机的工作特点及设计指标，从永磁电机定子、绕组、永磁体结构等方面进行分析，采用Ansys/Maxwell有限元分析软件建立了该电机的三维有限元分析模型，对其电磁特性进行了分析。根据设计参数制作出样机，并进行试验，结果表明：该电机的设计方案合理，电机各项性能满足设计要求。
1 轴向磁通电机结构介绍
轴向磁通永磁同步电机因其具有轴向的磁通方向，从而决定了其结构不同于普通的径向电机，轴向磁通电机具有小体积、低噪音、高转速、高功率密度、优良的散热性能等诸多优点。轴向磁通电机结构简图如图1所示。
图1 盘式电机典型结构
轴向磁通永磁同步电机根据转子数量、相对位置及主磁路分类，其结构可分为四类：单定子单转子结构、双定子单转子结构、单定子双转子结构及多盘式结构。
为了满足整车安装要求，结合电机性能参数要求，本文采用中间单转子双定子结构，该结构可更好满足电机性能，同时获得最小转动惯量和最优的散热条件，且中间转子由于双定子对称结构将受到两个相互抵消的磁拉力，提高轴承使用寿命，减少电机的机械损耗，有利于电机的稳定性，非常适用于电动汽车这种频繁启动场所，双定子都可以形成旋转磁场，可提高电机的电负荷。双定子单转子的轴向磁通电机结构简图如图2所示。
图2 双定子单转子轴向磁通电机
2 轴向磁通电机电磁方案设计
2.1 电机技术要求
该轴向磁通的电机工作性能指标如表1所示。
表1 电机性能指标
2.2 电机主要尺寸确定
针对该轴向磁通永磁同步电动机，首先确定电机定子铁心外径D和轴向长度La，根据相关资料介绍，轴向磁通电机主要尺寸之间的关系：
(1)
式中,PR电机额定输出功率。Kφ=Ar/As转子与定子的电负荷比值(转子无绕组时，Kφ=0);m、m1为电机总相数和单个定子相数;KeEMF因数;Ki电流波形因数;Kp功率波形因数;η电机效率;Bg气隙磁密;A总电负荷;f逆变器频率;p电机极对数;Do、Dg、Di电机外径、气隙直径、内径;KL=Do/Le轴向磁通电机宽高比;Le电机有效长度;λ=Di/Do轴向磁通电机直径比。
电机结构尺寸可以通过式(1)计算得到。
2.3 电机主要材料选型
不同永磁材料在电机内部产生不同励磁磁场，进而影响电机输出性能。常见永磁电机永磁材料选择为钕铁硼和钐钴，钐钴磁性能较钕铁硼低。
考虑到该轴向磁通永磁电机定子采用水冷结构，温度可以得到控制，因此永磁体可以选择磁性能更好的钕铁硼永磁材料。
2.4 永磁体结构设计
永磁体的形状不但影响电机的输出转矩和齿槽转矩等性能参数，同时还影响电机的成本、工艺等因素。轴向磁通永磁电机相对径向式永磁电机而言，永磁体的加工相对容易，且常常改变磁极的参数来提高电机的性能。
根据永磁体结构的不同，轴向磁通电机可以分为：不等比例扇形结构、矩形结构、等比例扇形结构、圆形结构、Halbach永磁体排列结构、其它特殊的形状例如直角梯形。具体结构如图3所示 。
图3 不同形状的永磁体
永磁体的结构，在一定程度上决定了电机的性能。文献[10-14]中分析了不同形状的永磁体对齿槽转矩产生的影响，并进行了分析对比。文献[15]给出了前3种形状的永磁体，对轴向磁通电机气隙磁密的影响，从工艺上介绍了不同形状的永磁体加工的难易。
永磁体结构力求简单，容易制造与装配，达到电机性能的同时利用率要高，考虑到本次设计电机效率、噪音要求较高，为了减小漏磁产生损耗以及尽量低的齿槽转矩和转矩波动，采用扇形双向斜极的永磁电机结构，这样也便于电机结构参数优化，提高电机输出性能。
2.5 永磁体厚度选择
永磁体磁化方向长度依据电机磁动势平衡关系预估初值，然后在Ansys/RMxprt中进行具体电磁计算校验；使得电机空载工作点满足式(2)要求。
Bg=(0.6～0.8)Br (2)
式中，Br为永磁体剩磁密度。
此外磁化长度的大小影响电机抗去磁能力，因此还需考虑电机最大过电流时的去磁能力，确定永磁体最终磁化长度。
2.6 定子冲片的设计
由于电机转速相对较低，定子铁心磁场频率不高，为降低电机制造成本，定子冲片采用厚度为0.35mm、50WW310硅钢带。电机槽数选择为24槽，定子冲片槽形选定主要考虑因素：首先满足定子绕组线圈电流密度和热负荷在限制之内，定子槽设计有充足的截面积，其次槽满率不能太高，要协调考虑线下工艺要求，最后结合机械强度和工艺限制选择合理轭高和齿宽。
3 电机模型的建立
综合考虑电机设计技术要求及工作特点确定电机电磁方案参数，如表2所示。
表2 电机主要参数
根据表中的参数在Ansys软件中RMxprt模块、建模，然后将其转化为Maxwell 3D模型。利用有限元的方法，进行三维瞬态磁场的分析，由于三维仿真时间较长，为缩短分析时间，基于电机模型对称性，本文采用1/8模型进行分析，并适当进行网格剖分，图4为所设计电机的仿真模型。
图4 电机仿真模型
4 电机有限元分析
4.1 电机磁场分析
等磁路法对电机磁场建模时忽略了电机槽形、磁饱和等因素，与电机实际工作特性有差别。因此需要采用电磁场数值计算方法对磁场进行分析，电机在额定转速5600r/min，输出转矩为61.4N.m时电机磁力线及磁密云图分布如图5、图6所示。
图5 电机磁力线分布
图6 电机磁力云图分布
由电机内部磁场与磁密分布可知，电机定子、转子、气隙之间形成了闭合的磁链，定子齿部磁力线分布分布较密，有少数的磁力线在极间、气隙处产生漏磁；电机内部最大饱和磁密为1.53T，定子采用硅钢带材料，其饱和磁密为1.6T，未达到饱和。
4.2 气隙磁密分析
采用有限元法对电机沿轴向方向的气隙磁密进行求解，如图7所示。径向气隙磁密波形近似于正弦波，幅值为0.59T，图中不规则的缺口畸变是由定子开槽气隙磁导不均匀导致。
图7 电机气隙磁密3D分布
4.3 空载反电动势分析
空载反电动势波形对电机设计有重要参考价值。在额定转速下求解出电机空载反电动势如图8所示。直观看出该电机空载反电动势具有较高的正弦分布，同时对其进行FFT分析，谐波含量较少，这表明电机设计斜极绕组、槽极参数的合理性。
图8 电机反电动势波形
4.4 齿槽转矩分析
无论径向式还是轴向式磁通永磁电机，都存在一个齿槽转矩，即电机中的磁极与定子槽之间相互作用会产生一个转矩脉动，它影响电机低速时的转矩质量、噪声及其整个的运行性能。近期国内外众多学者针对轴向磁通永磁电机齿槽转矩的抑制技术做了一系列的研究工作，主要为斜极、斜槽、极弧优化、不等气隙、不同极弧配合、极槽配合和永磁体相对位置对其的影响。该电机转子磁钢设计为双向斜极抑制电机齿槽转矩。在Ansys软件中借助瞬态求解器，将电机转速设置为1r/min，同时加密电机各部分的网格，另外为确定最佳斜极角度，对磁钢斜极角度进行参数化扫描，最终求得最小电机齿槽转矩如图9所示，电机齿槽转矩的峰峰值仅为1.58Nm。
图9 电机齿槽转矩
4.5 电机额定负载性能分析
实际工作时，电机额定转速5600r/min，在Ansys软件中采用电流源激励，求得电机输出转矩波形如图10所示，可得该工作点的平均转矩为61.2Nm。
图10 电机额定转矩
5 样机试验与仿真对比分析
根据理论计算结果得出电机参数制作出物理样机，如图11所示。该电机由控制器和电机本体组成，该样机在试验台上测试，结果如表3所示，性能指标达到设计要求。
图11 电机试验图
表3 样机试验数据
另外测试得到电机不同工况下的效率map图如图12所示，电机最大效率达到94.2%。
图12 样机效率map测试结果
6 结 论
本文针对新能源汽车用轴向磁通永磁同步电机，设计转速为5600r/min、额定输出转矩为61Nm的单转子双定子轴向磁通电机。基于等效磁路法确定电机基本尺寸，采用电磁场三维有限元分析方法对电机电磁场、气隙磁密、齿槽转矩进行分析计算，计算结果符合电机设计要求。最后对样机试验负载特性数据与有限元值进行对比，一致性满足要求，验证有限元仿真结果可靠性，该轴向磁通永磁同步电动机已经应用在某新能源汽车中，该项目的研究为轴向磁通永磁电机在汽车驱动电机领域的设计开发提供一定参考价值。
《电工技术学报》优秀论文｜削弱电动汽车电机振动和噪声的新方法
《电工技术学报》2019年度优秀论文获奖论文简报
《光伏发电出力预测技术研究综述》等15篇优秀论文入选《电工技术学报》2019年度优秀论文，荣获中国电工技术学会表彰。现将部分获奖论文的文章简报分享给各位读者，以期促进本领域的技术交流。
感应电机作为电驱动系统具有可靠性高、维护简单、成本低等优点，因此在新能源汽车领域被广泛应用。新能源汽车内的噪声主要来自于感应电机的振动和噪声，因此减小感应电机的振动和噪声具有重要研究意义。本文针对感应电机固有频率较低的特点，提出了电流谐波频谱整形结合RFPWM的矢量控制方法：使用带通滤波器提取反馈d、q轴电机固有频率范围内的电流谐波，并设计算法对其抑制，均匀其频谱特性，从而有效的削弱了电机的振动与噪声。
团队介绍
重庆大学刘和平教授团队 专注于电动汽车电机、电控、电池PACK、分布式充换电储能柜等的理论研究和产业化。团队结合工程实际和科学前沿，长期从事新能源汽车驱动控制领域的研究，已形成电动汽车驱动电机本体设计、电控本体设计、电机控制算法优化等多个优势鲜明的研究方向。
刘和平
1957出生，教授，博士生导师。从事汽车电子、电动汽车动力总成、电力电子与电力传动等领域的电机设计与电机控制理论和电源变换理论及其工程应用研究。承担了重庆市科委（重点攻关项目7266-1）“混合动力汽车外挂式ISG电机及其控制系统”、863子项目“50kW锂电池纯电动汽车电机和控制系统研究”等。获国家教委科技进步二等奖1项，重庆市计算机应用成果二等奖1项。发表科研论文148篇，已经出版译著和教材18部。担任多个公司的技术总监、总经理、总工程师多年，具备科技成果产业化的丰富经验和公司运营管理经验，长期在企业领导电动汽车动力总成和汽车电子的研发和产业化工作。
研究背景
图1 电机固有频率仿真
电机的共振是引起电动汽车噪声的主要原因，当电流中的谐波频率与电机的固有频率相同时会使电机产生共振。电动汽车用感应电机本体的固有频率较低，一般在0.6~5kHz之间，而随机调制技术开关频率范围在8~12kHz之间，所以仅采用随机调制技术无法避免电机的低频共振，因此需要对随机调制技术以及电机固有频率范围内的谐波进行深入研究。
论文方法及创新点
图2 感应电机矢量控制系统框图
为了削弱低频谐波引起的共振，本文在RFPWM的控制方法上加入了谐波频谱整形算法。如图2所示。谐波频谱整形算法作用于电流环，在计算电流误差的环节引入了带通滤波器，我们以q轴的电流为例进行分析，d轴的参数与q轴完全相同。在图5中，将帕克变化之后得到的q轴电流分解为4个部分如式1所示：
因此，能够引起电机共振的电流谐波就会被消除掉，从而削弱电机的共振。带通滤波器的传递函数如式4所示：
本文中电机1~2阶固有频率的范围是0.85~1.16kHz，3~4阶固有频率范围是3.1~3.9kHz。考虑到控制器的频率输出范围是0~200Hz，电流的19次谐波的频率才能够达到3.9kHz，此时电流谐波的幅值很小，引起电机振动的幅值很小，故可忽略其影响，所以仅对电机1~2阶的共振进行削弱。
根据以上分析得到滤波器的中心频率为1025Hz，带宽为735Hz，将以上参数带入到式5中，可以得到滤波器的表达式如式5所示。
在实际的控制程序当中，对信号的采集和处理都是离散的，所以将滤波器的传递函数转换为差分序列的形式，如式6所示。
在MATLAB中搭建了电动汽车用感应电机矢量控制系统的模型。固定载波频率仿真中设定模型开关频率为10kHz，随机载波频率仿真中设定模型开关频率的中心频率为10kHz，变化区间为[8~12kHz]。
在仿真过程中设定电机的转速为3000rpm，负载转矩30N•m，此时电机线电流交流幅值为183A，取电动汽车用感应电机的A相电流为分析对象，仿真得到的波形如图3所示。从图3(a)中可以看出，固定载波频率情况下，电流波形的PSD有集中于开关频率(10、20、30kHz)及其倍频的窄带宽谐波簇。
采用RFPWM技术之后，原有的谐波簇被均匀的分散在开关频率范围(8~12kHz、16~24kHz)之内，有效的降低了谐波的幅值，如图3(b)中红色箭头区域所示，削弱了电流波形PSD中的窄带宽谐波簇，从而削弱了电机的振动和噪声。
图3 感应电机A相电流的PSD
采用RFPWM控制策略，削弱了感应电机线电流PSD中开关频率处能量的峰值，但开关频率在8kHz以上，因此仅采用RFPWM控制策略不能削弱感应电机低频共振。为了削弱电机低频共振，本文设计了一种电流谐波频谱整形算法，仿真得到A相电流波形PSD的低频部分如图4所示。
图4 电机A相电流PSD的低频波形
在图4中，提取共振频率范围内的波形，将其放大并与没加入电流谐波频谱整形算法的波形进行比较。放大部分图形中蓝色虚线表示加入电流谐波频谱整形算法前的波形，黑色实线表示加入电流谐波频谱整形算法后的波形。
从图中可以看出，加入电流谐波频谱整形算法之后，感应电机线电流PSD中共振频率范围内的谐波得到了有效的抑制。因此可以明显的削弱电机的共振，从而减小电机的噪声。图4中右下角部分表示开关频率范围内谐波的PSD，该部分谐波仍旧均匀的分布在开关频率范围之内，可见加入电流谐波频谱整形算法不会影响RFPWM的性能。
为了验证所提出算法的有效性,本文搭建了基于矢量控制策略的感应电机对拖实验平台。该平台采用德州仪器公司的TMS320F28069作为核心处理器、MOSFET作为开关器件，处理器留有接口，可对其进行编程控制。
图5 电动汽车用感应电机对拖实验平台
实验中固定载波频率设置为10kHz，随机载波频率的平均频率设置为10kHz，频率的变化区间为[8~12kHz]。通过查随机数表的方式生成随机数，随机数表中包含1000个随机数，实验平台如图5所示。
实验中设定电机的转速为3000rpm，电机负载转矩为30N•m，此时感应电机线电流交流幅值为183A，各个参数设置保持与仿真中的工况一致。在固定载波频率、随机载波频率以及随机载波频率加入滤波算法的情况下，分别用示波器采集电机A相线电流的波形的数据，对采集到的数据分析得到线电流的PSD如图6所示。
图6 实验中感应电机A相电流的PSD
从图6中可以看出，本文所提出的电流谐波频谱整形的RFPWM控制策略在实际的工况中有着明显的效果。应用此控制策略后，电机线电流波形的PSD均匀的分布在开关频率范围之内，降低了线电流PSD的峰值，同时该控制策略能够对共振频率范围内的谐波进行抑制，削弱共振引起的电机振动。实验的结果与仿真结果一致，证明了仿真以及控制策略理论的正确性。
为验证控制算法削弱振动的有效性，用振动测量仪测量电机的振动，测量实验台如图7所示。测量得到的电机的振动频谱的PSD如图8所示。
图7 感应电机振动实验
图8 电机振动波形的PSD
图8(a)波形中标号1、2、3、4、5、7均为电机共振频率点的振动峰值,标号6、8、9分别为载波频率10、20、30kHz的谐波引起的振动峰值。在采用RFPWM控制策略后，在图8(b)中标号10、11、12处的振动峰值得到了明显的抑制，同时在标号10处原共振点的峰值降低，集中的振动能量得以分散，证明了RFPWM控制策略对振动和噪声控制的有效性。
在RFPWM控制策略中，加入电流谐波频谱整形算法前后振动频谱PSD的低频部分如图9所示。
图9 电机振动波形PSD的低频部分
在图9(a)中标号1、 2代表电机转速引起的振动，与电机转速和机械结构相关，无法通过控制策略避免，标号3、4代表共振引起的振动。采用电流谐波频谱整形算法之后，共振引起的振动得到了削弱，如图9(b)中标号7、8所示，实验证明了电流谐波频谱整形算法的有效性。
结论
随机PWM技术的出发点是减小和抑制系统的噪声和电磁干扰，本文针对电动汽车用异步电机矢量控制系统的特点，在随机化开关周期脉宽调制（RFPWM）的基础上，提出了带有电流谐波频谱整形环节的RFPWM控制策略。
分析和实验表明该控制策略能够将电流频谱均匀分散在较宽的频率范围内，减小整数倍载波频率的谐波幅值，同时能够抑制电机共振频率范围内的电流谐波，明显的削弱电机的共振。该方法不需要修改系统硬件、改变调节器参数，不影响矢量控制性能，具有很好的通用性。
引用本文
刘和平, 刘庆, 张威, 苗轶如, 刘平. 电动汽车用感应电机削弱振动和噪声的随机PWM控制策略[J]. 电工技术学报, 2019, 34(7): 1488-1495. Liu Heping, Liu Qing, Zhang Wei, Miao Yiru, Liu Ping. Random PWM Technique for Acoustic Noise and Vibration Reduction in Induction Motors Used by Electric Vehicles. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(7): 1488-1495.
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