劉穩(wěn)　李君妍　劉譯蔓

摘 要：新能源汽車對于驅動電機的要求越來越高，不僅在效率、密度等方面有所體現，更是對性價比和安全性方面提出了更高的要求。為了解決成本和性能之間的矛盾，永磁輔助同步磁阻電機引起了人們的關注，并且永磁輔助式同步磁阻電動機與傳統(tǒng)的稀土永磁同步電動機具有相同的功率密度和效率，但制造成本大幅降低，在新能源汽車驅動領域有著良好的應用前景。首先介紹國外新能源汽車驅動用永磁輔助式同步磁阻電機的開發(fā)情況，綜述了該電機若干關鍵問題的研究進展，最后分析了其優(yōu)化設計與控制特點。

關鍵詞：新能源汽車 永磁輔助同步磁阻電機 優(yōu)化設計

控制特點

0 引言

本課題以一款商業(yè)化的電機（豐田 PRIUS 2010主驅動電機）為基準，使用結構力學有限元校核設計了轉子內薄弱區(qū)域結構，以基于有限元法的遺傳算法為優(yōu)化設計工具，最終優(yōu)化設計得到一款各方面性能均優(yōu)異的永磁輔助同步磁阻電機。通過對比新設計電機與基準電機的效率云圖和運行特性曲線，來證實永磁輔助同步磁阻電機可以作為替代基準電機應用的極具競爭力的新產品。

1 技術路線

1.1原理介紹

以基準電機為基礎，將定子外圓、定子槽面積、定子繞組參數、磁鋼使用量、氣隙長度及電機軸向長度與基準電機保持一致，自由變動電機轉子結構，以最大轉矩為目標，改變氣隙半徑長度、磁鋼厚度及各磁鋼寬度、徑向磁障厚度、傾角，各層磁障間的厚度，保證平行齒條件下的定子槽寬，最內層磁鋼與軸間的距離。分析不同品質因數對性能的影響，得出一些結論從而根據具體的要求選取不同的品質因數，以達到具體的要求。用遺傳算法對新結構進行計算，分析、形成合理的結構方案。

1.2研究方案

在保持熱負荷不變、磁鋼用量相同的前提下，通過對氣隙半徑、轉子內磁障層數、轉子上其他組件結構進行優(yōu)化設計，來達到轉矩密度更大、功率密度更高的設計目的。對比研究 PMa 電機與基準電機，設計出在不增加材料費用、不改變外部散熱條件和驅動裝置的條件下，幾乎可以完全替代基準電機，實現相同的驅動能力的 PMa 電機。

2 PMa電機優(yōu)化設計

2.1 優(yōu)化設計方法及假定條件

新設計的電機在如下方面與基準電機保持一致：

（1） 定子外圓、定子槽面積、定子繞組參數；

（2） 磁鋼使用量；

（3） 氣隙長度、電機軸向長度。

使用上述條件，保證了新設計電機與基準電機在性能、材料費用上具有較高的可比性，方便對設計方案進行評估。

2.2 優(yōu)化結果及局部結構調整

磁障層數的確定：

磁障的層數可有很多層，本文首先優(yōu)化了3層磁障結構，以此為基礎研究1層、2層和4層結構時的電機性能。

通過對結構的優(yōu)化設計，新結構電機的輸出轉矩均可大于基準電機。當磁障層數為2層或3層時，兩者的轉速轉矩曲線幾乎完全重合，由此可以認為當前的基本尺寸約束下磁障層數大于2時已經無法大幅提升電機性能。磁障層數愈多，加工工藝性愈差，兼顧電機性能和結構工藝性要求，可認為2層磁障是較為合理的布置，后續(xù)分析均以此結構為基礎。

得到轉子結構方案后，考慮氣隙半徑及定子槽型的變化進行第2步優(yōu)化。第2步優(yōu)化時以第1步優(yōu)化為基礎，即設定轉子上結構參數變化范圍時參照第1步優(yōu)化得到的結果，設定一個較小的變化范圍以提高優(yōu)化速度。將上述所列參數設定為粗略的范圍，使用遺傳算法進行優(yōu)化。需要說明的是，事實上可以只進行第2步優(yōu)化，設置較寬的各結構參數可變化范圍進行優(yōu)化，但這需要大量的計算時間。通過第2步優(yōu)化得到氣隙直徑約為180 mm。此二種結構在定子繞組和永磁用量等關鍵參數相同的情況下，通過優(yōu)化氣隙半徑，使得電機的負載能力提升4%。故而可以認為新得到的電機結構可以作為一個較優(yōu)的備選方案進行機械強度校核計算，以期得到一款可應用于生產實際的電機結構。

3 新電機分析

在此結構下徑向磁障與切向磁障間，以及切向磁障中間均非常薄弱，需合理設置磁橋以保障結構安全。在磁障兩端亦需做圓角處理以防止應力集中，同時需綜合考慮圓角后漏磁場的增加可能對電機性能造成的影響。調整仿真時的電機轉速使得轉子上最大應力≤249 MPa，得到電機的轉速為12530 r/min，約為基準電機的 93%。通過逐步調整各磁橋的形狀及圓角尺寸，

該新電機的定轉子結構如圖2所示。

4 結語

在對現有的研究進行分析比較得到永磁輔助同步磁阻電機應具備如下特點：與稀土永磁同步電動機有相同的功率密度與效率，但制造成本大幅降低，性價比高，不存在高速過壓風險，高溫時電機性能穩(wěn)定。本課題通過對電機參數進行合理設置，對仿真運行結果進行分析，根據實際電機運行劣勢與轉矩特性，微調結構參數，并與基準電機進行比較，來代替基準電機，實現相同的驅動能力，提出一些適合在工程條件下應用的控制方法。

參考文獻

[1] 黃啟振. 50kW電動汽車驅動用永磁輔助式同步磁阻電動機研究[D].湖北工業(yè)大學，2015.

[2] 劉偉. 37kW空壓機用異步起動永磁輔助式磁阻同步電動機研究[D].湖北工業(yè)大學，2015.