鄧紫榮，曾成碧，盧 楊，苗 虹，郭 欣，白 維，張志輝

(1. 四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川革什扎水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 丹巴 626300)

0 引 言

隨著人們對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染等問(wèn)題的日益重視，電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，并且發(fā)展迅猛，同時(shí)對(duì)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)也提出了更高的要求。稀土永磁同步電機(jī)由于具有高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、高效性、寬調(diào)速范圍等特點(diǎn)，在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用[1-2]。但是稀土材料價(jià)格昂貴，這顯然影響到了稀土永磁電機(jī)的使用場(chǎng)景。永磁同步電機(jī)分為內(nèi)嵌式和表貼式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高動(dòng)態(tài)性能、調(diào)速范圍廣等優(yōu)勢(shì)[3]。但是因?yàn)閮?nèi)嵌式電機(jī)內(nèi)部隔離橋因素，存在漏磁現(xiàn)象，表貼式電機(jī)磁通不強(qiáng)，故磁阻轉(zhuǎn)矩不大[4]。文獻(xiàn)[5]提出一種混合式永磁同步電機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化取得了良好效果，兼顧了內(nèi)嵌式和表貼式的優(yōu)點(diǎn)，但是混合式永磁電機(jī)使用鐵氧體材料，相對(duì)稀土材料磁性較弱，因此輸出轉(zhuǎn)矩相對(duì)較小。文獻(xiàn)[6]提出一種V型的永磁同步電機(jī)，相比普通永磁電機(jī)其具備更高的凸極率和更寬的調(diào)速范圍，但是這種電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩利用率仍不是很高且電機(jī)結(jié)構(gòu)機(jī)械魯棒性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[7]提出一種輻條并聯(lián)式混合永磁電機(jī)，增加鐵氧永磁體填充面積，提高了轉(zhuǎn)矩性能，但是銣鐵硼材料利用率不高。文獻(xiàn)[8]中通過(guò)增加磁體，提出一種軸向永磁輔助同步磁阻電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向由表貼永磁電機(jī)和磁阻電機(jī)綜合組成，該電機(jī)具有較高的輸出轉(zhuǎn)矩和功率因素，但是磁路結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，加工應(yīng)用困難。文獻(xiàn)[9]提出在相鄰兩極之間增加輔助隔板的新型V型永磁同步電機(jī)，從而將電阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩的最大電流相位角調(diào)到同一角度。但是由于此法中使用了隔板，削弱了一定的磁強(qiáng)，磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩雖同時(shí)達(dá)到最大值，但是電磁轉(zhuǎn)矩不大，且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較嚴(yán)重。

在前述的研究中，這些方法都對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)進(jìn)行了各種改進(jìn)提升，但是輸出轉(zhuǎn)矩還是不夠高，而且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)大。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩是由磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩構(gòu)成，分析發(fā)現(xiàn)磁阻轉(zhuǎn)矩、永磁轉(zhuǎn)矩并不是在同一電流相位角達(dá)到最大值，這兩分量疊加的只是矢量和，而不是代數(shù)值，因此輸出轉(zhuǎn)矩并沒(méi)有有效利用達(dá)到最大值[10-12]。

為了提升電動(dòng)汽車(chē)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力性和運(yùn)行可靠性 ，本文提出一種新型的轉(zhuǎn)子不對(duì)稱(chēng)混合式永磁同步電機(jī)。新型電機(jī)內(nèi)嵌鐵氧體材料，表貼少量稀土材料，考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)的電機(jī)結(jié)構(gòu)，把電機(jī)轉(zhuǎn)子表面磁極沿轉(zhuǎn)子周向旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。利用有限元方法和凍結(jié)磁導(dǎo)率分割磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩，迭代思想仿真計(jì)算，使兩者轉(zhuǎn)矩在同一電流相位下達(dá)到最大代數(shù)值疊加，從而使得輸出轉(zhuǎn)矩利用率達(dá)到最大值。新型電機(jī)與傳統(tǒng)對(duì)稱(chēng)式永磁電機(jī)的仿真結(jié)果表明，在低成本和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定基礎(chǔ)上，新型電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩增加7.52%，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小39.15%。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子對(duì)稱(chēng)式混合永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖1(a)展示了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子對(duì)稱(chēng)式混合永磁同步電機(jī)截面結(jié)構(gòu)圖。該電機(jī)為定子48槽，轉(zhuǎn)子8極結(jié)構(gòu)，其中轉(zhuǎn)子磁極為內(nèi)置式磁極與表貼式磁極混合組成。內(nèi)置磁極材料選擇為鐵氧體，表貼磁極材料選擇為銣鐵硼。

電機(jī)模型的主要尺寸如圖1(b)、1(c)所示。電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 電機(jī)模型的結(jié)構(gòu)與尺寸

表1 電機(jī)尺寸參數(shù)

1.2 新型非對(duì)稱(chēng)式混合永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)一般采用周向?qū)ΨQ(chēng)結(jié)構(gòu)，所以直軸(d軸)與交軸(q軸)可以利用Pack變換來(lái)定義，如圖2(a)所示。本文將圖2(a)中表貼磁極逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ機(jī)械角度后，新型電機(jī)模型示意圖如圖2(b)所示，其中內(nèi)置磁極與表貼磁極的中心線互不重合，那么就應(yīng)綜合表貼磁極與內(nèi)置磁極兩者位置共同確定d軸與q軸。

圖2 兩種電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

2 電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性分析

根據(jù)圖3(a)所示的矢量圖旋轉(zhuǎn)變換，在d-q軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

(1)

式中，Tpm為永磁轉(zhuǎn)矩，Tre為磁阻轉(zhuǎn)矩，p為極對(duì)數(shù)，Ia為相電流，θ為定子電流相位角，Ld與Lq分別表示d軸與q軸電感，λpm為永磁體磁鏈基波幅值。從式子中可以看出電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩由永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩兩部分組成，很顯然兩個(gè)轉(zhuǎn)矩分量不能同時(shí)取到最大值，轉(zhuǎn)矩沒(méi)有達(dá)到最大利用率。

在相同的運(yùn)行條件下，利用凍結(jié)磁導(dǎo)率思想在商業(yè)軟件A nsys Maxwell中對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩分割并進(jìn)行有限元分析。在存在永磁體時(shí)，電流激勵(lì)條件下求出電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；之后把永磁體分離去除，在相同的電流激勵(lì)下得出電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩；那么永磁轉(zhuǎn)矩即可由電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩減去電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩獲得。由式(1)仿真得出傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線，如圖3(b)所示。從圖3(b)看出，傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩到達(dá)峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的相位角并不相等，兩者的電流相角相差45°，電磁轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)分量沒(méi)有同時(shí)被充分利用。為了方便量化電磁轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)分量的利用率，本文提出轉(zhuǎn)矩利用率因子K,表達(dá)式為

(2)

式中，Tu,pm為可利用永磁轉(zhuǎn)矩分量，Tu,re為可利用磁阻轉(zhuǎn)矩分量，Tpk,pm為永磁轉(zhuǎn)矩峰值，Tpk,re為磁阻轉(zhuǎn)矩峰值。為了同時(shí)充分利用電機(jī)永磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩，現(xiàn)將表面磁極沿周向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)機(jī)械角度θ，從而使得永磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩能在非常相近電流相位角處獲得最大值，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)矩利用率因子，最終達(dá)到輸出轉(zhuǎn)矩最大化的目的。表面磁極偏移角θ通過(guò)有限元分析軟件進(jìn)行迭代計(jì)算得到，具體優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩分析

在相電流為106 A，轉(zhuǎn)速3000 r/min 時(shí)，對(duì)參考電機(jī)和本文提出的新型電機(jī)分別進(jìn)行轉(zhuǎn)矩特性對(duì)比分析。如圖4中流程，利用仿真軟件迭代計(jì)算后，新型電機(jī)的偏移角θ確定為8.33°，參考電機(jī)和新型電機(jī)的轉(zhuǎn)矩利用率因子K如圖5所示，兩者的轉(zhuǎn)矩-相角特性曲線分別如圖6(a)、圖6(b)所示。從圖中易看出，參考電機(jī)兩個(gè)轉(zhuǎn)矩分量分別獲得最大值時(shí)候的電流相位角差為40°，新型電機(jī)的兩個(gè)轉(zhuǎn)矩分量到達(dá)峰值時(shí)的電流相角差為5°，新型電機(jī)的轉(zhuǎn)矩利用率因子達(dá)到98.12%。新型電機(jī)相比參考電機(jī)大大提升了轉(zhuǎn)矩利用率因子和整體的電磁輸出轉(zhuǎn)矩。

圖4 電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

圖5 轉(zhuǎn)矩利用率因子

圖6 兩種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性

3 電磁性能分析

3.1 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

加工工藝、轉(zhuǎn)矩電流不穩(wěn)定等因素會(huì)造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而縮短電機(jī)設(shè)備壽命。為方便對(duì)比兩種電機(jī)設(shè)備性能，定義轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)Kr如下：

(3)

式中,Tmax與Tmin分別為穩(wěn)態(tài)下最大與最小瞬時(shí)值，Tavg為平均轉(zhuǎn)矩。

圖7(a)中分別為參考電機(jī)和新型電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，新型電機(jī)相比參考電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩增大了7.52%。在圖7(a)基礎(chǔ)上依據(jù)式(3)計(jì)算得出圖7(b)，即為兩電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)。從中得出新型電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)減小近39.18%，有效延長(zhǎng)了新型電機(jī)設(shè)備使用壽命。圖7(c)為兩電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)對(duì)應(yīng)永磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩，可以看出新型電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)分量均有增加，其中永磁轉(zhuǎn)矩增加了9.84%，磁阻轉(zhuǎn)矩增加了4.95%，從而使得新型電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩顯著增大。

圖7 兩種電機(jī)的電磁性能分析

3.2 空載反電動(dòng)勢(shì)

圖8(a)、圖8(b)分別為參考電機(jī)和新型電機(jī)空載時(shí)反電動(dòng)勢(shì)以及反電動(dòng)勢(shì)諧波含量。從整體上來(lái)看，兩者的空載反電動(dòng)勢(shì)與空載反電動(dòng)勢(shì)諧波含量基本相同，新型電機(jī)沒(méi)有惡化效果。

圖8 空載反電動(dòng)勢(shì)

3.3 齒槽轉(zhuǎn)矩

當(dāng)永磁同步電機(jī)繞組不良好通電時(shí)，定子與永磁體之間會(huì)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)性能表現(xiàn)。參考電機(jī)和新型電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩波形對(duì)比如圖9所示。表面磁極偏移后，整體上來(lái)看齒槽轉(zhuǎn)矩有所減小。新型電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩相對(duì)于參考電機(jī)減小了34.08%。

圖9 齒槽轉(zhuǎn)矩波形圖

3.5 電機(jī)其他性能參數(shù)

在相電流為106 A，轉(zhuǎn)速3000 r/min 時(shí)，轉(zhuǎn)子表面磁極偏移前后電機(jī)其他各項(xiàng)性能指標(biāo)如表2所示。新型電機(jī)相比參考電機(jī)，鐵耗減小，定子銅耗不變，效率以及功率因素都有所提高，輸出功率大大增加。

表2 電機(jī)性能指標(biāo)

4 結(jié) 論

本文提出一種新型轉(zhuǎn)子不對(duì)稱(chēng)的混合式永磁同步電機(jī)。為了讓電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的分量--磁阻轉(zhuǎn)矩與永磁轉(zhuǎn)矩在相同電流相位角處達(dá)到最大，把表面磁極沿周向偏移一個(gè)機(jī)械角度從而達(dá)到目的。最后的有限元仿真結(jié)果顯示，本文在不明顯增加電機(jī)材料成本與加工制造成本的基礎(chǔ)上，新型電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩增加了7.52%，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小了39.15%，齒槽轉(zhuǎn)矩減小了34.08%，結(jié)果證明本文所提電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。