摘要：永磁同步電機因其高效、高功率密度、無換向等優(yōu)點在工業(yè)和交通領域得到了廣泛應用，但傳統(tǒng)的永磁同步電機存在電磁噪聲大、溫升高、整體結(jié)構(gòu)復雜等問題，亟須通過創(chuàng)新設計進行改進。為此分析了永磁同步電機在汽車領域的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)，提出了一種將軸向集成設計優(yōu)化與驅(qū)動拓撲優(yōu)化相結(jié)合的設計方法，構(gòu)建了永磁同步電機軸向集成及驅(qū)動一體化解決方案。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機；軸向集成設計；驅(qū)動拓撲優(yōu)化

中圖分類號：U462 收稿日期：2024-09-11

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.026

1 前言

永磁同步電機（PMSM）憑借其高效率、高功率密度、高可靠性等優(yōu)點，在工業(yè)自動化、家用電器、新能源汽車等領域得到了廣泛應用[1]。但與此同時，傳統(tǒng)的PMSM設計也存在一些不足，例如電磁噪聲大、溫升高、整體結(jié)構(gòu)復雜等，這些問題制約了電機的進一步優(yōu)化和推廣應用。為了解決這些挑戰(zhàn)，研究人員需要從電機的結(jié)構(gòu)設計和驅(qū)動電路兩個層面進行創(chuàng)新性的改進。本文提出了一種將PMSM的軸向集成設計優(yōu)化和驅(qū)動拓撲優(yōu)化相結(jié)合的全新方法，旨在通過協(xié)同優(yōu)化降低電磁噪聲、控制溫升、提高功率密度、簡化整體結(jié)構(gòu)，最終構(gòu)建一種高效節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的PMSM解決方案，以滿足新能源汽車等領域?qū)﹄姍C日益增長的性能要求，推動PMSM的發(fā)展。

2 永磁同步電機的發(fā)展現(xiàn)狀

PMSM因其高效率、高功率密度和優(yōu)異的動態(tài)性能而在許多工業(yè)應用中得到廣泛使用，特別是在電動汽車、航空航天、工業(yè)自動化和家用電器等領域。

近年來，PMSM技術(shù)的發(fā)展主要集中在提高效能和降低成本上。從設計和材料的創(chuàng)新來看，采用新型高性能永磁材料大幅提升了電機的效率和扭矩密度。電機設計方面，通過優(yōu)化磁路設計和采用先進的冷卻技術(shù)，有效提升了電機的熱管理能力和功率輸出[2]。在控制策略方面，隨著數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，研究人員采用基于DSP或FPGA的控制器，實現(xiàn)了電機控制的高精度和快速響應?，F(xiàn)代控制理論，如矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，被廣泛應用于PMSM的速度和位置控制中，這些控制策略不僅提高了電機的動態(tài)性能，還優(yōu)化了能耗。

另外，PMSM的應用領域正在迅速擴展。在電動汽車領域，PMSM因其高效率和優(yōu)良的加速性能，成為電動車驅(qū)動系統(tǒng)的首選。隨著全球?qū)π履茉雌嚨男枨蟪掷m(xù)增長，PMSM在該領域的應用預計將進一步擴大[3]。此外，在可再生能源領域，特別是風力發(fā)電，PMSM也因其適應不同風速的能力和高效的能量轉(zhuǎn)換效率而被廣泛采用。在家用電器和工業(yè)自動化領域，隨著智能制造和智能家居的發(fā)展，PMSM的應用也在持續(xù)增加。例如，現(xiàn)代家用空調(diào)、洗衣機等設備中普遍采用PMSM，以實現(xiàn)更高的能效和更佳的用戶體驗。市場研究顯示，全球PMSM市場正在以穩(wěn)定的年增長率擴展，預計未來幾年內(nèi)將持續(xù)增長，主要受到電動汽車和自動化工業(yè)增長的推動。

3 永磁同步電機面臨的挑戰(zhàn)

PMSM作為一種高效率和高性能的電機解決方案，在多個行業(yè)中得到廣泛應用。然而，盡管它們帶來了許多優(yōu)勢，但在推廣和應用過程中也面臨一系列挑戰(zhàn)。PMSM的制造成本相對較高，主要由于使用了昂貴的稀土永磁材料，如釹鐵硼（NdFeB）。稀土材料不僅價格昂貴，而且市場供應不穩(wěn)定，采礦和提煉稀土元素的環(huán)境影響也是一個重要問題，因為這些過程可能導致嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，相關(guān)因素共同推高了PMSM的生產(chǎn)成本，限制了其在成本敏感型應用領域的廣泛采用。

盡管PMSM在效率和性能上具有顯著優(yōu)勢，但在高負載或高速運行條件下，電機的穩(wěn)定性和可靠性仍然面臨挑戰(zhàn)。永磁材料在高溫環(huán)境下可能會出現(xiàn)退磁現(xiàn)象，這會降低電機的性能并可能導致永久損壞，PMSM在設計和制造過程中對精度的要求極高，任何微小的制造缺陷都可能影響電機的性能。例如，永磁體的不均勻分布或固定不當可能導致轉(zhuǎn)子不平衡，從而增加振動和噪聲，縮短電機壽命，PMSM的控制策略也較為復雜，需要精確的控制算法和高性能的控制系統(tǒng)來保證其運行的穩(wěn)定性和效率，這對控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)提出了更高要求。

這些挑戰(zhàn)不僅影響了PMSM的市場推廣速度，也成了制約其在未來高技術(shù)領域應用擴展的關(guān)鍵因素。因此PMSM的未來發(fā)展需要在降低成本、提高材料效率以及優(yōu)化設計和控制策略方面取得進一步的技術(shù)突破。

4 軸向集成設計優(yōu)化與驅(qū)動拓撲優(yōu)化耦合分析

針對PMSM在電磁噪聲、溫升、功率密度和結(jié)構(gòu)復雜度方面存在的挑戰(zhàn)，本文提出了一種將PMSM的軸向集成設計優(yōu)化與驅(qū)動拓撲優(yōu)化相結(jié)合的創(chuàng)新方法。軸向集成設計優(yōu)化通過對定子、轉(zhuǎn)子和外殼等核心部件進行一體化重構(gòu)，優(yōu)化電機的整體布局和磁路設計，能夠有效降低電磁噪聲和溫升，提高機械強度和可靠性；與此同時，驅(qū)動拓撲優(yōu)化則著眼于引入新型器件和拓撲結(jié)構(gòu)，降低驅(qū)動系統(tǒng)的損耗，顯著提升功率密度和響應速度。兩種優(yōu)化手段通過緊密協(xié)同，相互促進、協(xié)同作用，能夠解決PMSM面臨的各種挑戰(zhàn)，而且能夠構(gòu)建一種全新的、高度集成化的PMSM系統(tǒng)解決方案，為電機技術(shù)在新能源汽車等領域的應用提供強有力的支撐。

4.1 軸向集成設計優(yōu)化

在PMSM的設計過程中，軸向集成設計優(yōu)化是一項關(guān)鍵技術(shù)，它主要涉及電機的結(jié)構(gòu)設計和磁路優(yōu)化，以實現(xiàn)更高的效率和性能[4]。軸向集成設計優(yōu)化可以改善電機的熱管理和結(jié)構(gòu)強度，還能提升其電磁性能。

在PMSM的軸向集成設計中，磁路優(yōu)化是提高電機效率和性能的核心，這涉及對永磁材料的布局、磁極的形狀以及磁隙的大小進行精確計算和設計。優(yōu)化的目標是最大化磁通密度和減少磁路中的磁阻，從而提高電機的扭矩密度和減少鐵損。磁路設計可以通過以下公式來描述磁通密度B：

[B=ΦA] （1）

式中，Φ為通過磁路的磁通量；A為磁路截面積，通過優(yōu)化磁極的形狀和尺寸，以及調(diào)整永磁材料的分布，研究人員可以有效地控制磁通量的分布，從而優(yōu)化磁通密度。

在軸向集成設計中，電機的結(jié)構(gòu)和熱管理也是優(yōu)化的重要方面。結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要集中在電機的整體布局和組件設計上，以實現(xiàn)更好的力學性能和更高的結(jié)構(gòu)強度。研究人員可以優(yōu)化定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，減少材料的使用，同時保證機械強度和耐久性。熱管理優(yōu)化則需要關(guān)注于電機內(nèi)部的散熱設計，確保電機在運行過程中能有效地散發(fā)熱量，防止過熱影響性能和壽命，這通常涉及對散熱通道的設計，以及使用高熱導率材料來改善熱傳導效率。熱管理可以通過以下熱阻公式進行初步評估：

[Rt?ermal=ΔTP] （2）

式中，ΔT為溫差；P為電機產(chǎn)生的熱功率，通過減少熱阻，研究人員可以更有效地傳導和散發(fā)熱量，從而保持電機在較低的溫度下運行。

4.2 驅(qū)動拓撲優(yōu)化

在PMSM的開發(fā)中，除了對電機本身的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化之外，其配套的驅(qū)動拓撲優(yōu)化也是提升整體系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，驅(qū)動系統(tǒng)的設計影響電機的效率和響應速度，還直接關(guān)系到能耗和系統(tǒng)的可靠性。

驅(qū)動拓撲的優(yōu)化首先涉及合適的功率電子器件（如IGBT、MOSFET等）的選擇，這些器件必須能夠適應電機操作時的高電壓和電流需求，研究人員在選擇器件時不僅要考慮其電壓和電流承受能力，還需評估其開關(guān)頻率、導通和關(guān)斷損耗，以及熱性能，對于PMSM，驅(qū)動器通常采用三相逆變器的配置，其通過精確控制每個相的電壓和電流來驅(qū)動電機。逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)效率有顯著影響，常見的如全橋、半橋和多電平逆變器等。逆變器的基本電壓方程可以表示為：

[Vout=Vdc2×（modulation index）] （3）

式中，[Vout]為輸出電壓；[Vdc]為直流側(cè)電壓；modulation index是調(diào)制指數(shù)，其值取決于所用調(diào)制技術(shù)和控制策略，優(yōu)化這些參數(shù)可以有效減少逆變器的開關(guān)損耗和提高電能轉(zhuǎn)換效率。

驅(qū)動拓撲優(yōu)化的另一個關(guān)鍵方面是控制策略的優(yōu)化，有效的控制策略可以顯著提高電機的動態(tài)響應和穩(wěn)定性，減少扭矩波動和提高控制精度。常用的控制策略包括矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），這些策略需要精確調(diào)整以適應特定的驅(qū)動拓撲和電機參數(shù)。另外，采用先進的調(diào)制技術(shù)，如空間矢量調(diào)制（SVM），可以進一步優(yōu)化驅(qū)動信號，減少諧波干擾和開關(guān)損耗。調(diào)制技術(shù)的選擇直接影響到逆變器的開關(guān)頻率和效率，因此，優(yōu)化調(diào)制策略是驅(qū)動拓撲優(yōu)化中不可忽視的一環(huán)，調(diào)制過程可以通過以下公式進行初步描述：

[S=8π2sin（x）dx] （4）

式中，S為調(diào)制信號；sin（x）是基于逆變器相位角的正弦函數(shù)，通過積分我們可以得到調(diào)制信號的平均功率輸出。研究人員通過優(yōu)化調(diào)制算法，可以最大化輸出功率和效率，同時減少電磁干擾。

通過上述的功率電子器件配置優(yōu)化和控制策略及調(diào)制技術(shù)的細致調(diào)整，研究人員可以顯著提高PMSM系統(tǒng)的整體性能和效率，這些優(yōu)化措施確保電機驅(qū)動系統(tǒng)不僅能夠提供所需的動力和速度，還能在整個使用壽命中保持高效和可靠的運行。

4.3 軸向集成設計優(yōu)化與驅(qū)動拓撲優(yōu)化耦合

軸向集成設計優(yōu)化與驅(qū)動拓撲優(yōu)化的耦合分析需要綜合考慮電機結(jié)構(gòu)的物理特性與電驅(qū)動系統(tǒng)的交互作用，從而達到最優(yōu)的性能輸出。軸向集成設計優(yōu)化通常聚焦于電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，包括磁路設計、永磁材料的布局以及冷卻系統(tǒng)的配置。驅(qū)動拓撲優(yōu)化則側(cè)重于逆變器的電路設計和控制策略的優(yōu)化。耦合分析的目的是確保這兩部分的設計能夠互補，共同提升系統(tǒng)的整體性能。在進行耦合分析時，研究人員通常采用多物理場仿真工具，如有限元分析（FEA）軟件，來模擬和分析電機在不同驅(qū)動條件下的電磁、熱和力學行為，通過這些分析，可以得到以下基本關(guān)系式：

[τ=32Pλiq?φrid] （5）

式中，[τ]為電機的輸出扭矩；P為極對數(shù)；[λ]為永磁鏈；[iq]和[id]分別為q軸和d軸的電流，是轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈。研究人員通過這些參數(shù)，可以優(yōu)化電機的磁路設計以及相應的驅(qū)動策略，以實現(xiàn)最佳的扭矩輸出和最低的能耗。

在實際應用中，耦合分析還可以指導電機和驅(qū)動系統(tǒng)的同步開發(fā)，優(yōu)化設計參數(shù)以適應特定的應用需求，研究人員通過調(diào)整磁路設計來匹配逆變器的開關(guān)頻率，可以減少電磁干擾并提高能效。同時，優(yōu)化永磁材料的布局和冷卻系統(tǒng)設計可以降低運行時的溫升，延長電機壽命，而通過實時調(diào)整驅(qū)動策略（如改變調(diào)制深度或調(diào)整相位電流分布），可以在不同負載條件下保持電機運行的最優(yōu)狀態(tài)。耦合分析還包括對以下高級控制策略的評估：

[Vs=V2d+V2q] （6）

式中，[Vs]為施加到電機上的總電壓；[Vd]和[Vq]分別為d軸和q軸的電壓分量，優(yōu)化這些電壓分量可以更精確地控制電機的速度和位置，從而提高動態(tài)響應和運行效率。

研究人員通過上述耦合分析，可以使軸向集成設計優(yōu)化與驅(qū)動拓撲優(yōu)化實現(xiàn)更好的協(xié)同效果，在提高電機的性能和效率的同時，還增強了系統(tǒng)的可靠性和耐用性，滿足現(xiàn)代應用對高性能電機的需求。

5 結(jié)語

本文分析了PMSM的應用現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)，提出了一種創(chuàng)新的軸向集成設計優(yōu)化與驅(qū)動拓撲優(yōu)化相結(jié)合的方法。這種全新的協(xié)同優(yōu)化方法不僅能夠降低電磁噪聲、控制溫升、提高功率密度、簡化整體結(jié)構(gòu)，還能夠構(gòu)建一種高度集成、高效節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的PMSM系統(tǒng)解決方案。該方案將為電機技術(shù)在新能源汽車、工業(yè)自動化等領域的推廣應用提供有力支撐，推動PMSM產(chǎn)業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展。未來，隨著新型永磁材料、先進制造工藝和智能化控制技術(shù)的不斷突破，PMSM的性能必將得到進一步優(yōu)化和提升，在實現(xiàn)節(jié)能減排、促進可持續(xù)發(fā)展的進程中發(fā)揮越來越重要的作用。

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作者簡介：

曹明源，男，1988年，高級技師，研究方向為新能源汽車相關(guān)技術(shù)。