小型纯电动汽车CPPM无刷电机样机研究
李新华，刘声华，冯骥，杨卫华，邴黎明(湖北工业_业大学，湖北武汉430068)摘要：文章研究小型纯电动汽车CPPM无刷电机。采用Maxwell 3D软件对CPPM无刷电机样机进行了三维磁场的计算和分析，并讨论了不同参数对样机磁场的影响4，在此基础之上进行了样机设计、试制和现场试验。
关键词：电动汽车；CPPM无刷电机；样机；三维磁场；试验
0引言
永磁无刷直流电动机混合励磁调速是人们的个研究热点。美国威斯康星大学tA Lipo~的感应极永磁电机(consequentP。le PermallentMachine，以下简称cPPM无刷电机)，受到电机界学者的广泛关注。电动汽车驱动电机必须有较宽的调速范围。这种cPPM无刷电机结构新颖，特别是铁极(i，on p01e，或称感应极)的引入，通过改变辅助电励磁绕组的直流电流的大小和方向，就能改变气隙磁场的走向和强弱，实现对其的增磁或弱磁，达到宽范围调速的目的。
TA．Lipo等人在cPPM无刷电机研究方面做了开拓性工作。文献[1]提出了CPPM无刷电机的结构以及气隙磁通控制策略，并利用凸极同步电机的分析方法对其功角特性进行了分析。文献用“路”的方法推导了CPPM无刷电机的一系列基本关系，包括一些设计公式，并给出了CPPM无刷电机的设计程序。文献[3]对CPPM无刷电机的主要尺寸公式进行了推导，并在优化设计的基础上进行了试验研究。
本文研究小型型纯电动汽车驱动电机。蓄电池供电电压为48 V，功率要求为5 kw，汽车速度范围：0～80 km／h。拟采用CPPM无刷电机方案，试验样机供电电压为130VDC，功率1 kw，额定转速2300 r/nin。鉴于CPPM无刷电机结构的特殊性以及磁场分布的复杂性，仅从“路”，或是二维场的角度进行分析和设计都存在许多问题，难以保证设计精度。因此本文采用ANSOFT公司的Maxwell 3D软件对CPPM无刷电机实施三维磁场的计算和分析，在此基础之L进行样机设计和试制，并展开了试验研究。
Maxwell 3D软件分析界面。图2为励磁线圈未通入励磁电流时样机的磁密分布仿真云图，图3、图4励磁线圈分别通入2A增磁和弱磁电流时样机磁密分布仿真云图。
根据样机初步设计，利用建模软件Rhin04．O构建cPPM无刷电机的三维模型，将其导入Mawell 3D软件分析界面。图2为励磁线圈未通入励磁电流时样机的磁密分布仿真云图，图3、图4励磁线圈分别通入2A增磁和弱磁电流时样机磁密分布仿真云图。
空间内对称分布；当励磁线圈通入2 A(460安匝)增磁电流时，铁极在励磁线圈所产生的励磁磁场作用下被磁化，形成感应极，与永磁极的磁场在轴向和径向上进行了叠加，合成磁通在切向上增加较大，在气隙中产生有效的增磁磁通，导磁机壳中间部分产生了局部磁路饱和的现象，其原理如图5所示；当励磁线罔通入2 A(460安匝)弱磁电流时，与增磁情况相比，合成磁通在轴向上增加较大，导致导磁机壳中间部分产生了磁路饱和的现象，其原理如图6所示。
2不同条件下样机磁场仿真分析
F面进一步分析不同参数，包括励磁安匝、励磁轴向槽宽、铁极厚度对cPPM无刷电机样机磁场的影响。
2 1不同励磁安匝的影响
图7、图8分别励磁线圈通入2 6A(600安匝)增磁和弱磁电流时样机磁密分布云图。
与前面加载460安匝励磁磁动势的情况相比较，由于感应极所产生的轴向和径向磁通增大，样机齿部和铁极端部的磁密平均增加了0．2～O 3T。增磁情况下，合成径向磁通增加较大，铁极端部磁场出现局部饱和。 2 2励磁轴向槽宽的影响
图9、图10分别励磁轴l0宽度为10 mm样机增磁和弱磁时的磁密分布云图，图11、图12分别励磁轴向宽度为30 mm样机增磁和弱磁时的磁密分布云图。
与前面励磁轴向宽度15 mm样机仿真结果比较，励磁轴向槽宽为10 mm时，由于轴向长度的减小，增大了永磁极和铁极所产生磁场的径向分量，减小了其轴向分量，使得在增磁或弱磁时通过机壳的轴向磁密减小，而径向磁密有所增加。励磁轴向槽宽为30 mm时，由于电机的轴向长度增加，增犬了永磁极和铁极所产生磁场的轴向分量，减小了其径向分量，使得在增磁或弱磁时通过机壳的轴向磁密增加较多，而径向磁密明显减小。
2 3铁极厚度的影响
图13、图14分别铁极厚4 mm时样机增磁和弱磁时的磁密分布云图。
与上文样机仿真结果相比较，铁极厚度为4mm时，减小了铁极所对应的气隙长度，气隙磁阻也随之减小。在相同的励磁磁动势作用下，铁极处所感应的磁密有所增加。由仿真云图对比可以看到，增磁时，铁极端部磁密增加比较明显，端部磁密局部开始饱和；弱磁时，铁极感应磁密增加，机壳中问的磁密饱和程度有所加重。
3样机试制与试验
经过前面三维磁场计算以及相关研究工作，课题组设计并试制了一台1 kw cPPM无刷电机样机，表1为样机的部分额定值和主要设计数据，图15为样机负载试验系统。图15中左侧“L”
形台架上为被测试验样机，电机轴的左端装置了转子位置霍尔检测电路。
3 1电枢绕组发电试验
图16为励磁线圈未通入励磁电流时样机发电试验所测得的三相绕组反电动势波形，图17、图l 8分别励磁线圈通入2 A增磁和弱磁励磁电流时样机发电试验所测得的三相绕组反电动势波形，试验时电机转速为500r/min。
由图可以看出，上面三种情况下相绕组反电动势波形均为比较理想的梯形波，平顶部分宽度达到120。。所不同的是，通入增磁，或是弱磁励磁电流时反电动势的幅值有所变化，增磁时电动势幅值上升约2 v，弱磁时下降约2 v。可见，励磁磁场对电枢电动势波形基本没有影响。
3 2励磁绕组发电试验
图19为励磁线圈未遂入励磁电流，仅磁钢作用时励磁绕组发电试验所测得的电动势波形，图20为样机电动状态下永磁磁场和电枢磁场共同作用时励磁线圈的电动势波形，试验时样机转速为500 r，min。
图19表明，磁钢励磁时励磁线圈感应的是交流电动势，但幅值较小，约120 n1V。这是由于转予磁钢分为二组，一组为N极，另一组为s极，转子旋转时与励磁线圈相交链的轴向磁场交变所致。永磁磁场和电枢磁场共同作用时励磁线圈感应的是脉动电动势。图20表明，电枢磁场使永磁磁场发生了畸变，导致励磁绕组感应电动势也发生畸变。这种畸变会引起励磁电流的波动，使电机转矩脉动。
3 3增磁和弱磁试验
空载情况下，样机励磁绕组励磁电流与转速的关系曲线见图21、图22，圈21为弱磁情况，图22为增磁情况。
当所通入励磁电流起弱磁作用时，随着励磁电流的增大，转速逐步升高；改变励磁电流的方向后励磁电流起增磁作用，随着励磁电流的增大，转速则逐步降低。励磁电流O～2A调节，增磁或弱磁时的转速变化约为25％，转速变化明显，在磁路没有饱和的情况下，两者基本呈线性关系。
3 4负载试验及脉动转矩
cPPM无刷电机样机通过动态转矩传感器(型号为_lfq388)接至磁滞测功机(型号为zc200KB)，如图1 5所示。给电机加5 N·m的恒转矩负载，调节励磁电流(0至2A)，试验结果如图23和图24所示。图中第一行为电机动态转矩波形，第二行为电机转速波形，最下一行为输出瞬时功率波形。
从试验结果可以看出：加弱磁电流时，样机转速升高；加增磁电流时，样机转速下降；调节励磁电流从O至2A时，转速变化10％左右。在调节励磁电流的瞬间，电机转矩和瞬时功率发生明显波动，图中有二处就属于这样的情况。
4结语
通过对cPPM无刷电机样机三维磁场仿真和现场初步试验，可以得出如F结论：
(1)cPPM无刷电机的磁场分布相当复杂，只有借助于三维磁场分析才能得到清晰的分布图景，这一步工作对于cPPM无刷电机的电磁设计十分重要。
(2)主要尺寸比、励磁轴向槽宽、铁极厚度和气隙等对cPPM无刷电机的磁场分布有重要影响，应在磁场分析的基础上，综合其它因素予以取值；(3)cPPM无刷电机具有良好的弱磁和增磁调速性能，与合理的控制策略相配合，完全能够满足电动汽车对驱动电机的调速要求。
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