在工程應用中，汽車用永磁同步電動機定子采用直槽結構，定轉子槽極配合為8極48槽，基于該種結構的永磁轉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構由定子(包括定子鐵心、線圈、機殼等)、永磁轉子(包括轉子鐵心、永磁體、轉軸等)、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。永磁同步電動機的旋轉控制采用旋轉坐標系的思想，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；而轉子的影響則體現(xiàn)在整個磁路上，不同結構的永磁轉子對電機性能影響極大。永磁轉子按結構一般分為表貼式和內(nèi)置式兩種，內(nèi)置式轉子結構相對復雜，本文以內(nèi)置式轉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)永磁體在轉子中的排布，形成多種不同凸極比的轉子結構，主要分為ρ>1和ρ<1兩種情況。

永磁同步電動機的基本向量關系如圖1所示。

圖1永磁同步電動機基本向量圖

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

(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矩由永磁轉矩和磁阻轉矩兩部分組成。永磁轉矩與弱磁角成余弦關系，且與勵磁磁鏈成正比；而磁阻轉矩與兩倍弱磁角成正弦關系，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關系。

2、 研究方法及過程

2.1研究方法

本文以某款國產(chǎn)汽車電機的主體結構為例，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，先結合工程實際應用，設定相同的定子參數(shù)，在其基礎上進行市場調(diào)研，結合理論研究成果，采用磁鏈、凸極比均有所不同的轉子結構進行仿真對比，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、轉矩磁鋼體積比、以及反電動勢系數(shù)磁鋼體積比，比較各轉子方案性能優(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種轉子拓撲結構的計算：三角形、混合型、切向型、V字形及一字形等，具體結構及交直軸分布如圖2所示。

圖2不同轉子拓撲結構及交直軸分布

按圖2的轉子拓撲結構建模，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 設定激勵條件

根據(jù)永磁同步電動機工作原理，設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置方面，鐵心損耗計算時考慮定、轉子鐵心，渦流損耗計算時考慮定、轉子鐵心以及磁鋼表面渦流損耗影響。

2.2.3 設定邊界條件

在仿真時，各方案設定相同的邊界條件：電機額定轉速為2 000 r/min，最高轉速為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、 結果對比與數(shù)據(jù)分析

3.1結果對比

針對5種不同轉子拓撲結構方案，通過相關軟件進行仿真計算，首先進行反電動勢值、凸極比的計算，然后通過場路結合的方法，進行效率、轉矩、轉速等外特性的計算對比。在特性計算時，結合應用工程實際，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“恒轉矩區(qū)域采用單位電流最大轉矩控制，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[三角形轉子，ρ=2.29，KE=152.6 V/(kr·min-1)]

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

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

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

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

將圖3～圖7的計算結果匯總，總結出如圖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，不同轉子在恒轉矩區(qū)能產(chǎn)生的轉矩大小排序如下：

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不同轉子方案計算結果對比

為了更好地分析問題，我們將計算結果進一步對比，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的轉子相對凸極比大于1的轉子明顯沒有優(yōu)勢；相反，凸極比大于1的轉子結構有轉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)計權排名原則，方案4無論是功率密度還是轉矩密度都有競爭優(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。

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

審核編輯：郭婷