雙層“C”+“V”形式的轉子磁路結構降低電機成本

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，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子磁路結構開展了相關研究。采用有限元方法，側重對比分析了“U”形、“C”形磁障結構下，不同磁障結構參數(shù)對電機輸出轉矩能力的影響。結合電動汽車驅動電機的性能要求，對比“C”+“一”、“C”+“V”等形式的磁路結構，得出雙層“C”+“V”形式的轉子磁路結構，混合使用鐵氧體和釹鐵硼兩種磁材，可以在基本滿足當前汽車驅動電機使用要求的情況下，明顯降低電機成本。

1 磁阻轉矩對電機性能的影響分析

通過電機學的原理性分析，可得到永磁同步電機在d,q,o坐標系下的轉矩表達式：

Tem=pψfiq+p(Ld-Lq)idiq

(1)

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

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矩占比。需要注意的是當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，在保證電機輸出轉矩不變的情況下，如果通過改變電機磁路結構，來提升電機磁阻轉矩的比例，可以相應地降低永磁轉矩的比例，即減少電機永磁體用量。在保證電機轉矩密度不變的情況下，減少永磁體用量，提升磁阻轉矩在總輸出轉矩中的占比，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。

圖1展示了永磁磁阻電機的典型結構。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，為提高磁阻轉矩的利用率，同步磁阻電機的磁障一般設計為多層結構。本文定義靠近氣隙的磁障為第一層磁障，磁障徑向寬度W為磁障寬度，為簡化分析，本文設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 永磁磁阻電機結構示意圖

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，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 電機基本結構參數(shù)

2.1 磁障形狀的影響分析

以前述52 kW樣機為例，在電機定轉子直徑及其他結構參數(shù)不變的情況下，根據(jù)同步磁阻電機的設計方法，研究電機磁障結構參數(shù)對電機最大輸出轉矩能力的影響。在此基礎上，在磁障中插入永磁體，研究此時永磁電機的輸出轉矩能力，進而總結相應的優(yōu)化設計規(guī)律。目前，國內的乘用車驅動電機的功率主要集中在50～150 kW之間，轉速集中在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)及結構參數(shù)是對磁阻轉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)，電機的轉子機械結構強度也可能隨之改變。在實際電機設計過程中，需關注最高轉速下，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果。

結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矩。因此，本文以二層及三層磁障結構為例，對電機磁障結構開展分析研究，總結各結構參數(shù)對相同體積下，電機最大輸出轉矩能力的影響程度，進而得到相應的設計方法。

對于同步磁阻電機而言，較為常見的轉子磁路結構可分為“C”形磁路結構和“U”形磁路結構兩大類別。本文利用同步磁阻電機的設計方法，在保證“C”形和“U”形磁障結構的極弧系數(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矩，兩者輸出同樣的轉矩時，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”形磁障結構及轉子磁密分布如圖2所示。

(a) “U”形磁障結構

(b) “U”形磁障結構
圖2 轉子磁密分布

由兩種結構的磁密分布分析可見，兩種方案下，轉子磁密分布狀況接近，“U”形磁障結構的轉子磁密飽和程度略高，“C”形磁障結構下，磁障間隔內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)化設計及提升轉矩密度的潛力。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)化設計磁障形狀，調整交直軸磁路面積來充分利用磁阻轉矩，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，當電機其他結構參數(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)生輸出轉矩的能力提升空間有限。因此，本文將針對“C”形結構的永磁磁阻電機的首選方案開展進一步設計研究。

2.2 轉子磁障結構參數(shù)的影響分析

當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。前述結構中，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，在輸出相同轉矩情況下，磁阻轉矩占比將隨之增加，但考慮到磁路飽和效應等因素影響，電機存在輸出轉矩的上限，即電機轉矩密度達到一定數(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矩，以增加電機的轉矩密度。

以52 kW樣機，三層“C”形磁障結構為例，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對輸出轉矩的影響，當磁障深度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，本算例中，設置D的變化值范圍為0.6～1.2 mm，電機最大輸出轉矩隨D變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 電機最大輸出轉矩隨磁障深度變化圖

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

分析樣機磁路結構特征可知，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，電機的磁阻轉矩將增大，拐點的產(chǎn)生則與磁路的飽和情況有關。

在此基礎上，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 電機最大輸出轉矩隨磁障深度變化圖

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

同樣，當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對電機輸出轉矩的影響。即考核電機磁障寬度與磁障間隔寬度比例關系對輸出轉矩的影響，此時，電機的最大輸出轉矩隨H的變化，如圖5所示。

圖5 電機最大輸出轉矩隨磁障間隔寬度變化圖

由以上計算結果可見，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，電機的輸出轉矩減小。因此，存在最優(yōu)化設計點使輸出轉矩最大。此時，轉矩的變化區(qū)間約為1.25 N·m，這是因為為提升電機功率密度，轉子磁路接近飽和，調整磁障間隔寬度對磁路的影響已經(jīng)相對較小。

在此基礎上，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 電機最大輸出轉矩隨磁障間隔寬度變化圖

由圖6可見，此時電機輸出轉矩的變化規(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，電機的輸出轉矩仍呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，即設計中，存在最優(yōu)化設計點。與無永磁體狀態(tài)對比可見，過最優(yōu)點后，最大轉矩的下降趨緩，此時轉矩的變化區(qū)間約為2.9 N·m。由此可認為，磁障與磁障寬度存在一個最優(yōu)值或最優(yōu)區(qū)間，使電機輸出轉矩較大，但該因素對轉矩的總體影響有限。

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，電機永磁轉矩則明顯增大，電機的總輸出轉矩進而增大。因其結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論：

1) 考慮到車用永磁電機的應用需求，“C”形磁障結構轉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，輸出轉矩最大，考慮到磁路結構的差異性，不同電機的最優(yōu)比例將有所差異，電機設計中應結合磁路飽和情況，在一定范圍內進行尋優(yōu)設計；

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

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

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，設計中應優(yōu)先調整磁障結構參數(shù)，以提升磁阻轉矩占比。

3 混合式永磁同步電機不同轉子磁路結構特性分析

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，電機存在轉矩密度很難達到當前汽車驅動電機要求的問題，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計，即在永磁磁阻電機的轉子磁路結構中，使用鐵氧體永磁體和釹鐵硼稀土永磁體兩種材料，提升電機永磁轉矩比例，進而提升永磁同步電機的轉矩密度。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構，而釹鐵硼稀土永磁材料則更適合加工為長方體結構。因此，混合式永磁磁阻電機更適合使用“C”+“V”結構或“C”+“一”結構。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，得到最大輸出轉矩的最優(yōu)化設計，研究了三層“C”+“一”形結構、三層“C”+“V”形結構及兩層“C”+“V”形結構的混合式永磁磁阻電機，模型示意及計算結果如圖7所示。為降低電機制造成本，各層磁障內部材料未做特殊說明的均為鐵氧體磁材。

圖7 三層“C”+“一”形磁障結構模型

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的電機最大輸出轉矩?？梢姡讓哟耪现刑砑硬煌牟牧蠒r，雖然磁障面積很小，但對電機最大輸出轉矩仍然有較為明顯的影響，轉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的輸出轉矩
圖8 三層“C”+“一”結構，電機不同磁障填充材料磁密及輸出轉矩圖

另外，當首層磁障由“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，但對整體輸出轉矩的提升有限?？梢?，在電機經(jīng)過初步優(yōu)化設計后，電機凸極性基本確定，此時，為提升電機的轉矩密度，永磁轉矩變?yōu)殡姍C設計關鍵，隨著電機功率密度提高，永磁轉矩將逐漸起到關鍵作用。

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

(a) 三層“C”+“V”磁障結構模型

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

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

在此基礎上，為使電機的設計更為接近實際應用要求，進一步提升電機的轉矩密度，考慮適當增大永磁轉矩占比，當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矩與磁阻轉矩，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果如圖10所示。

(a) 電機二層“C”+“V”形磁路結構模型

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

最終，當保持優(yōu)化設計后的電機體積與原型機一致時，電機的最大輸出轉矩達到162.6 N·m，電機磁阻轉矩占比約為42.6%，已基本滿足驅動電機設計需求。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 語

本文首先研究了磁阻轉矩對永磁電機輸出轉矩影響，從原理上分析了調整電機轉子磁路結構對改變磁阻轉矩占比，提升電機功率密度的可行性。針對“C”形及“U”形磁障結構的永磁同步電機磁障形狀進行研究分析，發(fā)現(xiàn)二、三層磁障結構車用驅動電機，“C”形磁障結構更適合高功率密度設計。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”形三層磁障轉子結構、“C”+“V”形三層磁障轉子結構及“C”+“V”形兩層磁障轉子結構特性，得出首層少量使用釹鐵硼，二層使用鐵氧體的“C”+“V”形兩層磁障轉子結構基本滿足當前車用驅動電機的性能及功率密度要求，兩種磁材的結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?；旌鲜接来烹姍C的使用也將顯著降低電機的制造成本。

審核編輯：郭婷