陳緒標，童學志

(上海海立(集團)股份有限公司，上海 201206)

0 引 言

永磁同步電動機在工業(yè)生產(chǎn)應用中追求高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度，實現(xiàn)生產(chǎn)生活不同領(lǐng)域的智能控制，在永磁電機設(shè)計過程中保證效率的同時兼顧電動機機械特性、以及調(diào)速范圍，如何設(shè)計能進一步實現(xiàn)高性價比的永磁同步電動機是本文的意義所在。

用于汽車行業(yè)的主驅(qū)電機追求高功率密度、寬調(diào)速范圍、高可靠性等卓越的綜合性能指標，內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由于其本身固有的高可靠性特點在汽車主驅(qū)永磁電機中得到廣泛應用。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式多種多樣，與其相關(guān)研究成果也很多。文獻[1]詳細介紹了永磁同步電動機內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的V形和切向型結(jié)構(gòu)，并列舉了6種不同轉(zhuǎn)子的凸極率；文獻[2]論述了一種汽車永磁電機V形轉(zhuǎn)子的參數(shù)分析過程及對弱磁控制的影響；文獻[3]重點研究了一種內(nèi)置式永磁同步電動機定子斜槽、6極36槽配合的氣隙磁密諧波、交直軸電感參數(shù)性能。

在工程應用中，汽車用永磁同步電動機定子采用直槽結(jié)構(gòu)，定轉(zhuǎn)子槽極配合為8極48槽，基于該種結(jié)構(gòu)的永磁轉(zhuǎn)子對應不同的凸極比，其外特性如何、磁鋼用量多少、哪種形式轉(zhuǎn)子性能最優(yōu)、是否符合高性價比要求，本文將針對這些熱點問題進行詳細的分析。

1 基本原理

永磁同步電動機的主要結(jié)構(gòu)由定子(包括定子鐵心、線圈、機殼等)、永磁轉(zhuǎn)子(包括轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體、轉(zhuǎn)軸等)、前后端蓋、軸承、接線盒以及反饋組件等多個主要零部件組成。

永磁同步電動機的電磁原理與他勵直流電動機類似[4]。永磁同步電動機的旋轉(zhuǎn)控制采用旋轉(zhuǎn)坐標系的思想，將三相定子電流進行解耦，分解成專用于勵磁的直軸分量，以及專用于產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩的交軸分量，兩種分量互相獨立互不耦合。

對于永磁同步電動機來說，定子影響主要體現(xiàn)在定子繞組分布情況、定子槽數(shù)等，這與異步電機區(qū)別不大；而轉(zhuǎn)子的影響則體現(xiàn)在整個磁路上，不同結(jié)構(gòu)的永磁轉(zhuǎn)子對電機性能影響極大。永磁轉(zhuǎn)子按結(jié)構(gòu)一般分為表貼式和內(nèi)置式兩種，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相對復雜，本文以內(nèi)置式轉(zhuǎn)子為研究點進行展開。

永磁同步電動機凸極比ρ一般指交直軸電感(或者是電抗)之比。即：

(1)

表貼式交直軸電感接近相等，其凸極比ρ=1；而內(nèi)置式永磁同步電動機根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子中的排布，形成多種不同凸極比的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，主要分為ρ>1和ρ<1兩種情況[5]。

永磁同步電動機的基本向量關(guān)系如圖1所示。

圖1 永磁同步電動機基本向量圖[6]

根據(jù)圖1的向量關(guān)系及永磁同步電動機的電磁原理，得到電磁轉(zhuǎn)矩Te的計算公式如下[6]：

(2)

式中：p為極對數(shù)；β為弱磁角；ψf為永磁磁鏈；Ia為定子電流；

從式(2)中可以看出，內(nèi)置式永磁同步電動機電磁轉(zhuǎn)矩由永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩兩部分組成。永磁轉(zhuǎn)矩與弱磁角成余弦關(guān)系，且與勵磁磁鏈成正比；而磁阻轉(zhuǎn)矩與兩倍弱磁角成正弦關(guān)系，還與交直軸電感之差成正比。

由電機電磁場理論有：

ψf=NΦ=NBS

(3)

式中：N為每極線圈匝數(shù)；B為每極氣隙磁密；S為每極磁通面積。又根據(jù)電感差：

(Lq-Ld)∝ρ

(4)

不計弱磁角度、極對數(shù)以及電樞電流影響，最終可以推得：

Te∝BSN

(5)

Te∝ρ

(6)

從式(3)～式(6)可以看出，內(nèi)置式永磁同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與永磁電機每極線圈匝數(shù)、每極氣隙磁密、每極磁通面積以及凸極比成正相關(guān)關(guān)系。

2 研究方法及過程

2.1 研究方法

本文以某款國產(chǎn)汽車電機的主體結(jié)構(gòu)為例，其具體性能參數(shù)指標如表1所示，進行典型規(guī)格優(yōu)化設(shè)計。

表1 某款國產(chǎn)汽車電機性能指標參數(shù)

在研究過程中，先結(jié)合工程實際應用，設(shè)定相同的定子參數(shù)，在其基礎(chǔ)上進行市場調(diào)研，結(jié)合理論研究成果，采用磁鏈、凸極比均有所不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行仿真對比，匯總數(shù)據(jù)。然后針對仿真數(shù)據(jù)進行分析，分別計算最大輸出功率、最大轉(zhuǎn)矩、反電動勢系數(shù)KE值以及永磁體體積，并分別計算功率磁鋼體積比、轉(zhuǎn)矩磁鋼體積比、以及反電動勢系數(shù)磁鋼體積比，比較各轉(zhuǎn)子方案性能優(yōu)勢及經(jīng)濟性。

2.2 研究過程

2.2.1 建立模型

根據(jù)表1的性能指標，進行5種轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)的計算：三角形、混合型、切向型、V字形及一字形等[7]，具體結(jié)構(gòu)及交直軸分布如圖2所示。

圖2 不同轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)及交直軸分布

按圖2的轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)建模，槽極配合為經(jīng)典的8極48槽，定子繞組形式采用1～6的分布式雙層繞組。

2.2.2 設(shè)定激勵條件

根據(jù)永磁同步電動機工作原理，設(shè)定電機定子輸入電流為三相正弦電流，具體激勵表達式如下：

iA=Imaxsin(2πft+β)

iB=Imaxsin(2πft+β-2π/3)

iC=Imaxsin(2πft+β+2π/3)

式中：Imax為電機線電流峰值；f為電流頻率；t為時間；β為弱磁角。

在上述激勵條件下考慮損耗設(shè)置方面，鐵心損耗計算時考慮定、轉(zhuǎn)子鐵心，渦流損耗計算時考慮定、轉(zhuǎn)子鐵心以及磁鋼表面渦流損耗影響。

2.2.3 設(shè)定邊界條件

在仿真時，各方案設(shè)定相同的邊界條件：電機額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速為10 000 r/min,電機定子相同，且線電流峰值按Imax=141.4 A(有效值為100 A)，電機弱磁初始角按45°進行掃描分析。

3 結(jié)果對比與數(shù)據(jù)分析

3.1 結(jié)果對比

針對5種不同轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)方案，通過相關(guān)軟件進行仿真計算，首先進行反電動勢值、凸極比的計算，然后通過場路結(jié)合的方法，進行效率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等外特性的計算對比。在特性計算時，結(jié)合應用工程實際，為了能有效地利用內(nèi)置式永磁同步電動機的凸極效應，發(fā)揮其固有機械特性，在仿真計算采用的控制策略是“恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域采用單位電流最大轉(zhuǎn)矩控制，恒功率區(qū)則采用弱磁控制”。計算的效率MAP圖譜如圖3～圖7所示。

圖3 方案1[三角形轉(zhuǎn)子，ρ=2.29，KE=152.6 V/(kr·min-1)]

圖4 方案2[混合型轉(zhuǎn)子，ρ=0.613，KE=147.46 V/(kr·min-1)]

圖5 方案3[切向型轉(zhuǎn)子，ρ=1.75，KE=147.3 V/(kr·min-1)]

圖6 方案4[V字形轉(zhuǎn)子，ρ=2.6 ，KE=181.3 V/(kr·min-1)]

圖7 方案5[一字形轉(zhuǎn)子，ρ=2.3，KE=168.3 V/(kr·min-1)]

將圖3～圖7的計算結(jié)果匯總，總結(jié)出如圖8所示的T-n曲線對比圖。從中可以看出，相同定子參數(shù)下，不同轉(zhuǎn)子在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大小排序如下：

TV字形>T一字形≈T三角形>T混合型>T切向型

在相同定子參數(shù)下，不同轉(zhuǎn)子在恒功率區(qū)能產(chǎn)生的最大功率大小排序如下：

PV字形>P一字形≈P三角形>P混合型>P切向型

圖8 不同方案T-n曲線對比

3.2 數(shù)據(jù)分析

針對不同轉(zhuǎn)子方案的數(shù)據(jù)匯總，計算出各不同方案參數(shù)，如表2所示。

表2 不同轉(zhuǎn)子方案計算結(jié)果對比

為了更好地分析問題，我們將計算結(jié)果進一步對比，分別計算單位體積磁鋼能產(chǎn)生的功率和反電動勢系數(shù)值，具體結(jié)果如表3所示。

表3 單位體積磁鋼性能對比

從表3可以看出，對于凸極比接近的方案1和方案5，方案1的指標明顯不如方案5。再從方案2、方案3和方案4對比來看，凸極比小于1的轉(zhuǎn)子相對凸極比大于1的轉(zhuǎn)子明顯沒有優(yōu)勢；相反，凸極比大于1的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有轉(zhuǎn)子材料利用率高的優(yōu)勢。

綜合比較：

凸極比最優(yōu)前三方案排序：方案4>方案5≥方案1；

單位體積磁鋼材料利用率最優(yōu)前三方案排序：方案3>方案5>方案4；

轉(zhuǎn)矩、功率最大前三方案排序：方案4>方案1>方案5；

線反電動勢磁鋼體積比前三方案排序：方案3>方案5>方案4；

綜上，根據(jù)大數(shù)據(jù)計權(quán)排名原則，方案4無論是功率密度還是轉(zhuǎn)矩密度都有競爭優(yōu)勢，其單位體積磁鋼產(chǎn)生的反電動勢系數(shù)值也較高，是5種方案中最優(yōu)方案之一。

4 結(jié)語與展望

本文以永磁同步電動機的研究現(xiàn)狀為背景，分別介紹了永磁同步電動機轉(zhuǎn)子凸極比、永磁同步電動機基本向量圖等基礎(chǔ)理論，并結(jié)合電磁耦合原理介紹了永磁同步電動機電磁轉(zhuǎn)矩方程，研究了電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈、凸極比的理論關(guān)系。

然后以某汽車用永磁同步電動機案例為研究對象，對5種不同內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案進行了效率功率圖仿真計算，并結(jié)合單臺電機磁鋼總用量，分別計算各方案單位永磁材料產(chǎn)生的功率、轉(zhuǎn)矩、反電動勢值等，進而分析了不同結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的性價比，最終確定了V字形結(jié)構(gòu)是5種方案中較有優(yōu)勢的設(shè)計方案。

從本文的分析過程中可以發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，對于內(nèi)置式永磁同步電動機，提高每極磁通、提高凸極比仍然是提高功率、轉(zhuǎn)矩密度的首要手段。

從本文的分析過程中可以發(fā)現(xiàn)，永磁同步電動機在提高性能的同時，兼顧成本控制問題仍是高性能永磁電機繞不過去的彎，性能成本兼優(yōu)的電機才是市場的必然選擇。

永磁同步電動機與控制密切相關(guān)，永磁同步電動機及其控制共同組成工業(yè)自動化驅(qū)動系統(tǒng)。在永磁同步電動機優(yōu)化過程中，需綜合考慮控制策略，比如最大轉(zhuǎn)矩電流比控制、弱磁控制、最大效率控制等。

針對本文的具體案例，單獨某一種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案(比如V字形轉(zhuǎn)子方案)還不能完全滿足驅(qū)動系統(tǒng)要求，后面可以結(jié)合切向、混合型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化，這需要從電機本體、驅(qū)動、以及多物理場耦合等不同維度去研究，最終開發(fā)出符合市場規(guī)律的電機驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)品。