雙層“C”+“V”形式的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)降低電機成本

本文以一臺實際使用的電動汽車用52 kW永磁同步電機為研究目標(biāo)，針對由鐵氧體和釹鐵硼兩種永磁材料組成的混合式永磁同步電機的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)開展了相關(guān)研究。采用有限元方法，側(cè)重對比分析了“U”形、“C”形磁障結(jié)構(gòu)下，不同磁障結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機輸出轉(zhuǎn)矩能力的影響。結(jié)合電動汽車驅(qū)動電機的性能要求，對比“C”+“一”、“C”+“V”等形式的磁路結(jié)構(gòu)，得出雙層“C”+“V”形式的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，混合使用鐵氧體和釹鐵硼兩種磁材，可以在基本滿足當(dāng)前汽車驅(qū)動電機使用要求的情況下，明顯降低電機成本。

1 磁阻轉(zhuǎn)矩對電機性能的影響分析

通過電機學(xué)的原理性分析，可得到永磁同步電機在d,q,o坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩表達式：

Tem=pψfiq+p(Ld-Lq)idiq

(1)

由式(1)可見，永磁同步電機的輸出轉(zhuǎn)矩有兩個分量:第一個分量是電機的永磁轉(zhuǎn)矩Tm，表征了電機永磁體勵磁磁鏈所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；第二個分量為電機的磁阻轉(zhuǎn)矩Tr，表征了因電機交直軸磁路結(jié)構(gòu)不對稱所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

對于永磁磁阻電機，增加多層磁障后，電機交直軸的磁阻將隨之改變，也就是電機的凸極率隨之改變，進而影響電機的磁阻轉(zhuǎn)矩占比。需要注意的是當(dāng)交直軸電感的差值改變，而不是單純增加直軸電感或者減少交軸電感時，磁阻轉(zhuǎn)矩值才會改變。而電機的功率因數(shù)也將隨著交軸電感與直軸電感比值的增大而增大。

由式(1)的分析還可知，在保證電機輸出轉(zhuǎn)矩不變的情況下，如果通過改變電機磁路結(jié)構(gòu)，來提升電機磁阻轉(zhuǎn)矩的比例，可以相應(yīng)地降低永磁轉(zhuǎn)矩的比例，即減少電機永磁體用量。在保證電機轉(zhuǎn)矩密度不變的情況下，減少永磁體用量，提升磁阻轉(zhuǎn)矩在總輸出轉(zhuǎn)矩中的占比，并確保電機性能及退磁特性滿足電動汽車使用要求，即為本文研究的目標(biāo)。

圖1展示了永磁磁阻電機的典型結(jié)構(gòu)。磁障類似于常規(guī)永磁電機的磁鋼槽，永磁體置于磁障之中，為提高磁阻轉(zhuǎn)矩的利用率，同步磁阻電機的磁障一般設(shè)計為多層結(jié)構(gòu)。本文定義靠近氣隙的磁障為第一層磁障，磁障徑向?qū)挾萕為磁障寬度，為簡化分析，本文設(shè)定每層磁障的寬度一致，由一層至三層的磁障寬度分別為W1，W2，W3。定義兩層磁障之間硅鋼片區(qū)域為磁障間隔，其寬度為磁障間隔寬度，每層磁障間隔寬度一致，由一層磁障至三層磁障之間分別為H1，H2。定義轉(zhuǎn)子圓心到磁障中間段下沿的距離為磁障深度D，由一層到三層的磁障深度分別為D1，D2，D3。

圖1 永磁磁阻電機結(jié)構(gòu)示意圖

2 磁障形狀及層數(shù)對電機性能的影響

本文以一臺52 kW電動汽車用混合式永磁同步電機為研究目標(biāo)，電機的基本參數(shù)如表1、表2所示。

表1 電機基本性能參數(shù)

表2 電機基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 磁障形狀的影響分析

以前述52 kW樣機為例，在電機定轉(zhuǎn)子直徑及其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，根據(jù)同步磁阻電機的設(shè)計方法，研究電機磁障結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機最大輸出轉(zhuǎn)矩能力的影響。在此基礎(chǔ)上，在磁障中插入永磁體，研究此時永磁電機的輸出轉(zhuǎn)矩能力，進而總結(jié)相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計規(guī)律。目前，國內(nèi)的乘用車驅(qū)動電機的功率主要集中在50～150 kW之間，轉(zhuǎn)速集中在10 000～16 000 r/min之間，電機的定子外徑尺寸主要集中在180～220 mm之間。因此，磁障層數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)是對磁阻轉(zhuǎn)矩比例影響較大的因素，但需要注意的是，改變電機磁障層數(shù)，電機的轉(zhuǎn)子機械結(jié)構(gòu)強度也可能隨之改變。在實際電機設(shè)計過程中，需關(guān)注最高轉(zhuǎn)速下，電機強度是否滿足工作要求，因篇幅所限，本文不展示強度的校核計算結(jié)果。

結(jié)合同步磁阻電機的研究成果分析可知，對于中小型永磁磁阻電機，其轉(zhuǎn)子磁障層數(shù)為二層或三層較為合理。如果繼續(xù)增加磁障層數(shù)，一方面電機加工工藝難度增加；另一方面因磁路飽和程度加劇，磁體的利用率將下降，對電機輸出轉(zhuǎn)矩提升的輔助作用有限。如果減少為單層磁障，與普通永磁電機相似，很難大幅度提升電機的凸極性，進而較好地利用電機的磁阻轉(zhuǎn)矩。因此，本文以二層及三層磁障結(jié)構(gòu)為例，對電機磁障結(jié)構(gòu)開展分析研究，總結(jié)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對相同體積下，電機最大輸出轉(zhuǎn)矩能力的影響程度，進而得到相應(yīng)的設(shè)計方法。

對于同步磁阻電機而言，較為常見的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)可分為“C”形磁路結(jié)構(gòu)和“U”形磁路結(jié)構(gòu)兩大類別。本文利用同步磁阻電機的設(shè)計方法，在保證“C”形和“U”形磁障結(jié)構(gòu)的極弧系數(shù)、磁障深度、磁障寬度等參數(shù)一致的前提下，優(yōu)化兩個方案的輸出轉(zhuǎn)矩，兩者輸出同樣的轉(zhuǎn)矩時，考察兩者的磁密分布。

三層磁障的永磁同步磁阻電機，磁障中不插入永磁體時可視為同步磁阻電機來進行分析，其“U”形與“C”形磁障結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)子磁密分布如圖2所示。

(a) “U”形磁障結(jié)構(gòu)

(b) “U”形磁障結(jié)構(gòu)
圖2 轉(zhuǎn)子磁密分布

由兩種結(jié)構(gòu)的磁密分布分析可見，兩種方案下，轉(zhuǎn)子磁密分布狀況接近，“U”形磁障結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子磁密飽和程度略高，“C”形磁障結(jié)構(gòu)下，磁障間隔內(nèi)硅鋼片的磁密分布均勻性略好，具備插入永磁體后進一步優(yōu)化設(shè)計及提升轉(zhuǎn)矩密度的潛力。另外，“C”形磁障與“U”形磁障相比，在磁障深度、極弧系數(shù)一致時，可插入更多的永磁體，通過進一步優(yōu)化設(shè)計磁障形狀，調(diào)整交直軸磁路面積來充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，進而提升電機的功率密度。

在磁障中插入永磁體后，通過分析可知，當(dāng)電機其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變時，為了安裝同樣的磁體，“U”形磁障將增大，磁障之間的局部飽和程度將進一步增加，其產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩的能力提升空間有限。因此，本文將針對“C”形結(jié)構(gòu)的永磁磁阻電機的首選方案開展進一步設(shè)計研究。

2.2 轉(zhuǎn)子磁障結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響分析

當(dāng)單純提升電機磁障層數(shù)時(磁障中不插入永磁體)，電機交直軸磁路面積都受到影響。前述結(jié)構(gòu)中，直軸磁阻所受影響更為顯著，電機直軸電感將隨之改變，而此時電機沒有永磁體勵磁，在輸出相同轉(zhuǎn)矩情況下，磁阻轉(zhuǎn)矩占比將隨之增加，但考慮到磁路飽和效應(yīng)等因素影響，電機存在輸出轉(zhuǎn)矩的上限，即電機轉(zhuǎn)矩密度達到一定數(shù)值后將無法提升。此時，可考慮在電機磁障中插入永磁體來提升電機勵磁能力，也就是提升電機的永磁轉(zhuǎn)矩，以增加電機的轉(zhuǎn)矩密度。

以52 kW樣機，三層“C”形磁障結(jié)構(gòu)為例，首先磁障中不插入永磁體時，即使用同步磁阻電機的分析方法。當(dāng)磁障層數(shù)、磁障間隔寬度及電機極弧系數(shù)不變時，考核磁障深度D對輸出轉(zhuǎn)矩的影響，當(dāng)磁障深度D由初始值位置向靠近圓心方向移動，D減小，為便于直觀考核D的影響，以D的變化值為衡量指標(biāo)，本算例中，設(shè)置D的變化值范圍為0.6～1.2 mm，電機最大輸出轉(zhuǎn)矩隨D變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 電機最大輸出轉(zhuǎn)矩隨磁障深度變化圖

由以上計算結(jié)果可見，隨著磁障深度增大，磁障逐漸向轉(zhuǎn)子圓心方向移動，電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩逐漸減小，并且存在一個拐點使轉(zhuǎn)矩明顯降低，此時，轉(zhuǎn)矩的變化區(qū)間約為12.8 N·m。

分析樣機磁路結(jié)構(gòu)特征可知，磁障中不插入永磁體時，磁障深度減小，因直軸磁路面積相對較小，其受影響更顯著，直軸磁阻將增大，而交軸磁路變化相對較小，交直軸電感差值將增大，電機的磁阻轉(zhuǎn)矩將增大，拐點的產(chǎn)生則與磁路的飽和情況有關(guān)。

在此基礎(chǔ)上，磁障中插入永磁體，在保證永磁體用量不變的條件下，電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩隨磁障深度變化值的改變規(guī)律，如圖4所示。

圖4 電機最大輸出轉(zhuǎn)矩隨磁障深度變化圖

由圖4可見，此時電機輸出轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律與磁障中不插入永磁體時基本一致，但由于永磁轉(zhuǎn)矩的影響，降低了磁阻轉(zhuǎn)矩在總轉(zhuǎn)矩中的占比，此時轉(zhuǎn)矩的變化區(qū)間約為15.9 N·m。

同樣，當(dāng)磁障中不插入永磁體，磁障層數(shù)、磁障深度不變的情況下，考核磁障間隔寬度H對電機輸出轉(zhuǎn)矩的影響。即考核電機磁障寬度與磁障間隔寬度比例關(guān)系對輸出轉(zhuǎn)矩的影響，此時，電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩隨H的變化，如圖5所示。

圖5 電機最大輸出轉(zhuǎn)矩隨磁障間隔寬度變化圖

由以上計算結(jié)果可見，隨著磁障間隔寬度的增大，電機直軸磁路變寬，電機輸出轉(zhuǎn)矩先增大，但隨著其進一步加大，交軸寬度也增大，交直軸電感差值變小，電機的輸出轉(zhuǎn)矩減小。因此，存在最優(yōu)化設(shè)計點使輸出轉(zhuǎn)矩最大。此時，轉(zhuǎn)矩的變化區(qū)間約為1.25 N·m，這是因為為提升電機功率密度，轉(zhuǎn)子磁路接近飽和，調(diào)整磁障間隔寬度對磁路的影響已經(jīng)相對較小。

在此基礎(chǔ)上，磁障中插入永磁體，在保證永磁體用量不變條件下，電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩隨磁障間隔改變規(guī)律，如圖6所示。

圖6 電機最大輸出轉(zhuǎn)矩隨磁障間隔寬度變化圖

由圖6可見，此時電機輸出轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律與磁障中不插入永磁體時基本一致，隨著磁障間隔寬度的增大，電機的輸出轉(zhuǎn)矩仍呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，即設(shè)計中，存在最優(yōu)化設(shè)計點。與無永磁體狀態(tài)對比可見，過最優(yōu)點后，最大轉(zhuǎn)矩的下降趨緩，此時轉(zhuǎn)矩的變化區(qū)間約為2.9 N·m。由此可認(rèn)為，磁障與磁障寬度存在一個最優(yōu)值或最優(yōu)區(qū)間，使電機輸出轉(zhuǎn)矩較大，但該因素對轉(zhuǎn)矩的總體影響有限。

除此之外，電機磁障的極弧系數(shù)對輸出轉(zhuǎn)矩也有著較為明顯的影響。在永磁體長度隨之改變的情況下，極弧系數(shù)增大，永磁體用量增多，電機永磁轉(zhuǎn)矩則明顯增大，電機的總輸出轉(zhuǎn)矩進而增大。因其結(jié)論與同步磁阻電機一致，在此不做贅述。

由以上分析可得到結(jié)論：

1) 考慮到車用永磁電機的應(yīng)用需求，“C”形磁障結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的磁密分布均勻并且易于插入更多的磁體，有利于提升電機的功率密度，在滿足加工要求條件下可優(yōu)先考慮使用；

2) 磁障中插入永磁體后，磁障寬度與磁障間隔寬度比例對電機最大輸出轉(zhuǎn)矩有一定的影響，且存在最優(yōu)比例，使電機在相同永磁體用量下，輸出轉(zhuǎn)矩最大，考慮到磁路結(jié)構(gòu)的差異性，不同電機的最優(yōu)比例將有所差異，電機設(shè)計中應(yīng)結(jié)合磁路飽和情況，在一定范圍內(nèi)進行尋優(yōu)設(shè)計；

3) 磁障深度對電機輸出轉(zhuǎn)矩有非常明顯的影響，且磁阻轉(zhuǎn)矩占比越大時，該影響也越明顯，電機設(shè)計中，應(yīng)予以重點優(yōu)化設(shè)計；

4) 總輸出轉(zhuǎn)矩一定時，如果永磁轉(zhuǎn)矩占比接近50%，則永磁體用量將成為對電機總輸出轉(zhuǎn)矩影響最大的因素，隨著永磁體用量的提升，磁障結(jié)構(gòu)優(yōu)化對輸出轉(zhuǎn)矩的影響將逐漸減小，永磁體的實際用量應(yīng)結(jié)合電機轉(zhuǎn)矩密度要求進行綜合優(yōu)化設(shè)計；

5) 混合式永磁同步電機中，釹鐵硼永磁體作為輔助提升功率密度的手段，一般僅在第一層磁障中少量使用，設(shè)計中應(yīng)優(yōu)先調(diào)整磁障結(jié)構(gòu)參數(shù)，以提升磁阻轉(zhuǎn)矩占比。

3 混合式永磁同步電機不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)特性分析

開展永磁磁阻電機研究時可以發(fā)現(xiàn)，單純使用鐵氧體永磁體勵磁時，電機存在轉(zhuǎn)矩密度很難達到當(dāng)前汽車驅(qū)動電機要求的問題，而且由于鐵氧體本身磁材特性，容易產(chǎn)生退磁現(xiàn)象。

因此，考慮開展混合式永磁磁阻電機的設(shè)計，即在永磁磁阻電機的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中，使用鐵氧體永磁體和釹鐵硼稀土永磁體兩種材料，提升電機永磁轉(zhuǎn)矩比例，進而提升永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩密度。同時，利用鐵氧體與釹鐵硼溫度系數(shù)相反的特性，提高該類電機高溫下的性能，降低退磁風(fēng)險。

以常見的鐵氧體及釹鐵硼永磁體為例，兩者的性能數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 典型鐵氧體與釹鐵硼永磁體性能對比

考慮永磁體的加工工藝，鐵氧體永磁材料易加工成弧形結(jié)構(gòu)，而釹鐵硼稀土永磁材料則更適合加工為長方體結(jié)構(gòu)。因此，混合式永磁磁阻電機更適合使用“C”+“V”結(jié)構(gòu)或“C”+“一”結(jié)構(gòu)。本文在所研制電機的首層磁障中添加釹鐵硼永磁體，為尋求使用最少永磁體，得到最大輸出轉(zhuǎn)矩的最優(yōu)化設(shè)計，研究了三層“C”+“一”形結(jié)構(gòu)、三層“C”+“V”形結(jié)構(gòu)及兩層“C”+“V”形結(jié)構(gòu)的混合式永磁磁阻電機，模型示意及計算結(jié)果如圖7所示。為降低電機制造成本，各層磁障內(nèi)部材料未做特殊說明的均為鐵氧體磁材。

圖7 三層“C”+“一”形磁障結(jié)構(gòu)模型

圖8(a)～圖8(c)分別展示了在第一層磁障中添加空氣、鐵氧體、釹鐵硼時電機的磁密分布。圖8(d)為不同磁障填充材料對應(yīng)的電機最大輸出轉(zhuǎn)矩。可見，首層磁障中添加不同的材料時，雖然磁障面積很小，但對電機最大輸出轉(zhuǎn)矩仍然有較為明顯的影響，轉(zhuǎn)矩的變化范圍達到約11 N·m。因此，可考慮在第一層磁障中使用釹鐵硼永磁體來提升電機的轉(zhuǎn)矩密度。

(a) 首層磁障為空氣的電機磁密分布

(b) 首層磁障插入鐵氧體的電機磁密分布

(c) 首層磁障插入釹鐵硼的電機磁密分布

(d) 不同類型首層磁障對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩
圖8 三層“C”+“一”結(jié)構(gòu)，電機不同磁障填充材料磁密及輸出轉(zhuǎn)矩圖

另外，當(dāng)首層磁障由“C”形改為“一”形后，磁體用量下降較多，雖然釹鐵硼磁性能增加，但對整體輸出轉(zhuǎn)矩的提升有限?？梢?，在電機經(jīng)過初步優(yōu)化設(shè)計后，電機凸極性基本確定，此時，為提升電機的轉(zhuǎn)矩密度，永磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)殡姍C設(shè)計關(guān)鍵，隨著電機功率密度提高，永磁轉(zhuǎn)矩將逐漸起到關(guān)鍵作用。

為進一步提升電機的轉(zhuǎn)矩密度，考核提升釹鐵硼永磁體的用量，將首層磁障設(shè)計為“V”形，提升永磁體用量對輸出轉(zhuǎn)矩的影響?？紤]到高速下的應(yīng)力分布，將二三層磁障設(shè)計為分段結(jié)構(gòu)，電機模型及計算結(jié)果如圖9所示。

(a) 三層“C”+“V”磁障結(jié)構(gòu)模型

(b) 電機磁密分布
圖9 三層“C”+“一”磁障結(jié)構(gòu)，電機模型、磁密分布圖

此時的電機總輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后達到112.3 N·m，較原首層為“一”形結(jié)構(gòu)磁障有明顯提升，進一步增加了電機的轉(zhuǎn)矩密度。

在此基礎(chǔ)上，為使電機的設(shè)計更為接近實際應(yīng)用要求，進一步提升電機的轉(zhuǎn)矩密度，考慮適當(dāng)增大永磁轉(zhuǎn)矩占比，當(dāng)提升首層釹鐵硼用量時，意味著磁障間隔處磁密飽和程度增加，為了更好地分配永磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩，縮減電機磁障層數(shù)為兩層；同時，在滿足使用要求下，適當(dāng)增加電機的鐵心長度，將混合式永磁電機體積與原型機保持一致，電機的模型和計算結(jié)果如圖10所示。

(a) 電機二層“C”+“V”形磁路結(jié)構(gòu)模型

(b) 電機磁密分布
圖10 二層“C”+“V”磁障結(jié)構(gòu)，電機模型、磁密分布圖

最終，當(dāng)保持優(yōu)化設(shè)計后的電機體積與原型機一致時，電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩達到162.6 N·m，電機磁阻轉(zhuǎn)矩占比約為42.6%，已基本滿足驅(qū)動電機設(shè)計需求。校核混合式永磁電機的退磁情況，需要考慮不同磁材的磁特性，要分別校核釹鐵硼材料的高溫退磁情況和鐵氧體材料的低溫退磁情況。本文校核了釹鐵硼永磁體160 ℃的高溫退磁情況，鐵氧體磁材-20 ℃的低溫退磁情況。經(jīng)計算，不同磁材的退磁特性如圖11、圖12所示。

圖11 釹鐵硼永磁體高溫退磁計算

圖12 鐵氧體永磁體低溫退磁計算 由以上計算可見，此時電機高溫及低溫均沒有明顯的退磁現(xiàn)象，可以滿足電機的基本使用。

由表4可見，相同輸出轉(zhuǎn)矩下，保持混合式永磁電機與原型機的體積、定子外徑、鐵心長度等參數(shù)均一致的條件下，使用混合式永磁電機后，永磁體的價格將下降336.3元，下降比例達到56.5%。

表4 混合式永磁電機成本比較

4 結(jié) 語

本文首先研究了磁阻轉(zhuǎn)矩對永磁電機輸出轉(zhuǎn)矩影響，從原理上分析了調(diào)整電機轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)對改變磁阻轉(zhuǎn)矩占比，提升電機功率密度的可行性。針對“C”形及“U”形磁障結(jié)構(gòu)的永磁同步電機磁障形狀進行研究分析，發(fā)現(xiàn)二、三層磁障結(jié)構(gòu)車用驅(qū)動電機，“C”形磁障結(jié)構(gòu)更適合高功率密度設(shè)計。通過對磁障深度、磁障寬度與磁障間隔寬度的研究，發(fā)現(xiàn)磁障深度對輸出轉(zhuǎn)矩影響相對較大，磁障寬度及間隔寬度存在一個最優(yōu)區(qū)間，使電機的輸出轉(zhuǎn)矩達到最大值。最后針對使用鐵氧體與釹鐵硼兩種永磁材料的混合式永磁電機，研究了“C”+“一”形三層磁障轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、“C”+“V”形三層磁障轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及“C”+“V”形兩層磁障轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特性，得出首層少量使用釹鐵硼，二層使用鐵氧體的“C”+“V”形兩層磁障轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)基本滿足當(dāng)前車用驅(qū)動電機的性能及功率密度要求，兩種磁材的結(jié)合使電機退磁特性有所提升，也可以彌補單一鐵氧體磁材功率密度不足、單一釹鐵硼永磁體高溫性能下降明顯等問題。混合式永磁電機的使用也將顯著降低電機的制造成本。

審核編輯：郭婷