一種電動汽車的內藏型磁石馬達設計

工研院機械所馬碩晟副研究員、徐銘懋研究員、張朝信資深工程師

先進國家法規的要求及對環保意識的抬頭,電動車扮演了相當重要且關鍵的腳色,本文提出一款應用於電動汽車的內藏型磁石馬達設計,除了較廣泛的V 型的磁石配置,更加入獨特的磁阻單元的設計,使其最佳效率輸出能達到97%;並且在提高效率的同時,磁阻單元也能夠同時扮演分散應力的彈簧體,使得內藏型磁石馬達在高速運轉下,發生形變的問題也能被一併克服,最後,透過轉子偏移的方式,達成降低頓轉轉矩的效果,完成整體馬達的設計。

獨特的內藏型永磁馬達設計

現今電動車的馬達,槽極配置非常重要,匹配繞線後,將會有多種的損失分布;最常用的槽極數多為48 槽8 極,例如TOYOTA 的Prius、日本NISSAN 的Leaf 等,而BMW i3 則採72 槽12極的設計。一般而言,較高的極數能夠降低馬達的頓轉轉矩,但是馬達的鐵損也會相對提高,在考慮配線的方便性跟定子結構強度下,72 槽的定子齒部會太過細長,在繞入漆包線的時候,繞線的張力可能會造成定子齒部彎曲,此外過多的槽也會造成繞線的難度增加;故選擇使用48 槽8 極的槽極比。

 

 

表1
表1

 

表1 參考BMW i3[1][2] 的馬達規格, 為本文設計的馬達規格要求,設定額定轉速為4800rpm,最高轉速11400 rpm,一般而言,表面貼磁的馬達轉子因為磁石直接正對定子靴部,其磁通的利用率是最高的,如圖1 所示,但是在高速運轉的情況下,例如本文的最高目標轉速11400rpm,則比較少使用表面貼磁的轉子設計,因為表面貼磁的磁鐵通常靠膠合黏著或是小部分的背鐵固定在轉子上,磁石較有可能會因為離心力向外飛脫,或是碎裂等問題;而內藏型磁石的轉子設計就克服了這樣的問題,透過轉子鐵心開槽,直接將磁石放置在轉子內部,就可以防止磁石飛脫,另外因為內藏型磁石的磁石埋在轉子內部,其產生的磁力不如表面貼磁磁石配置,所以為了增加轉子表面的磁力,就可以將磁石透過V 型的配置,使相同極性的磁石產生集磁的效果,來增強磁力,如圖2 所示。

 

 

圖1
圖1


在轉子設計方面,以圖3 為例,兩片磁石夾在轉子鐵心裡,是V 型磁石的典型配置,因轉子形狀,使得磁石外部的結構應力降低,在高速運轉下,鐵心會有永久形變的可能;圖4 為圖3 在11400 rpm 下所得的應力分析,觀察出最大應力達到665.5 MPa,已超過矽鋼片的降伏強度385MPa,為了提高轉子的結構強度,會在兩個磁石中間加入支撐樑,如圖5 所示,加入支撐樑後,在11400 rpm的轉速下,分析結果如圖 6所示,最大應力可以降至120 MPa,安全因數達到3.2。

相對的,加上結構加強樑後,磁鐵間會產生很大的漏磁通,這是由於磁石會因為支撐樑而造成磁路短路。為了進一步提升效率,本文的設計進一步結合磁阻馬達的轉子設計概念,利用轉子內的磁阻單元使磁力線更加集中,並且阻隔原本會流向支撐樑的漏磁通,如圖7 所示,透過這樣的方式就能將馬達的鐵損有效降低,而達到高效率的目標,圖8 為本文馬達轉子在11400 rpm 下的應力分布,在分析過程中,發現螺栓孔對於分攤應力有非常不錯的效果,原因是打孔之後的鐵心結構會類似於彈簧體,會幫助分攤離心力所產生的作用力,進而分散了支撐梁上的應力;螺栓孔其實也是磁阻單元的元素之一。

 

圖2、圖3、圖4、圖5、圖6
圖2、圖3、圖4、圖5、圖6