釹鐵硼永磁磁阻同步電機(jī)及其仿真分析

李新華，汪思敏，易夢(mèng)云，馬霽旻

(湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068)

0 引 言

在新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)中，釹鐵硼永磁同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱釹鐵硼電機(jī))應(yīng)用越來越多。隨著釹鐵硼價(jià)格的不斷提高，釹鐵硼電機(jī)面臨市場(chǎng)的挑戰(zhàn)。近年來，一些國(guó)外著名汽車公司相繼開發(fā)出了一種新型釹鐵硼永磁磁阻同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱釹鐵硼磁阻電機(jī))[1,2]。與釹鐵硼電機(jī)相比，釹鐵硼磁阻電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩比重增加，永磁轉(zhuǎn)矩下降，磁鋼用量減少，性價(jià)比上升，呈現(xiàn)出良好應(yīng)用前景。

鐵氧體永磁輔助磁阻同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱鐵氧體磁阻電機(jī))是近年來受到人們關(guān)注的一種新型電機(jī)[3-5]。為了充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，鐵氧體磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心采用多層磁鋼槽結(jié)構(gòu)，有的甚至用5層磁鋼槽[6]；另一方面，為了避免鐵氧體出現(xiàn)不可逆退磁問題，鐵氧體磁阻電機(jī)對(duì)磁鋼的尺寸、形狀以及擺放位置都有要求[7,8]。而釹鐵硼磁阻電機(jī)由于永磁轉(zhuǎn)矩比重增加，磁阻轉(zhuǎn)矩比重減小，一般只需用2層磁鋼槽，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有所簡(jiǎn)化。特別是釹鐵硼磁阻電機(jī)一般不存在磁體退磁風(fēng)險(xiǎn)，磁鋼多用方塊形狀，磁鋼加工方便，磁鋼放置位置也比較靈活。因此，與鐵氧體磁阻電機(jī)相比，盡管釹鐵硼磁阻電機(jī)的永磁材料成本有一定增加，但電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心制造成本有所下降，電機(jī)可靠性提高。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)于提高釹鐵硼磁阻電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩比重、減少磁鋼用量十分關(guān)鍵。本文重點(diǎn)分析了釹鐵硼磁阻電機(jī)的2種典型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，討論轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能和轉(zhuǎn)矩能力的影響，并與釹鐵硼電機(jī)進(jìn)行了比較分析。

1 “V”加“一”轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖1是國(guó)外某公司二代電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其中圖1(a)是內(nèi)置單層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)釹鐵硼電機(jī)(以下稱為第三代電機(jī))，圖1(b)是“V”加“一”轉(zhuǎn)子二層結(jié)構(gòu)釹鐵硼磁阻電機(jī)(以下稱為第四代電機(jī))。與第三代電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，第四代電機(jī)轉(zhuǎn)子下層增設(shè)了一個(gè)較大的矩形空氣槽，其徑向高度大約為磁鋼充磁方向厚度的一倍多，使得兩側(cè)磁橋徑向變高。表1是二代電機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)。

(a) 第三代

(b) 第四代圖1 二代電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

表1 二代電機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)

1.1 峰值轉(zhuǎn)矩和脈動(dòng)率

第四代電機(jī)轉(zhuǎn)子d軸磁路上增設(shè)一個(gè)較大的矩形空氣槽對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率都會(huì)產(chǎn)生較大的影響。圖2給出了下層矩形空氣槽不同徑向高度h以及兩側(cè)磁橋不同寬度w(見圖1)對(duì)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率影響的仿真結(jié)果，峰值工況電流設(shè)為170 A。討論徑向高度h變化時(shí)，兩側(cè)磁橋?qū)挾葁設(shè)定為1 mm，討論w變化時(shí)h設(shè)定為12 mm。

(a) 不同高度h

(b) 不同寬度w圖2 第四代電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率的仿真結(jié)果

從圖2(a)可以看出，隨著h的增加，峰值轉(zhuǎn)矩隨之增大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率隨之下降；當(dāng)h=12 mm時(shí)，峰值轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率為最小值；h繼續(xù)增加，峰值轉(zhuǎn)矩有所下降，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率有所上升。可見，h=12 mm是隔磁空氣槽徑向高度一個(gè)比較合理的尺寸。再觀察圖2(b)，隨著w的增加，峰值轉(zhuǎn)矩都隨之下降，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率隨之上升；當(dāng)w=1 mm時(shí)，峰值轉(zhuǎn)矩能達(dá)到要求值，此時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率也相對(duì)較??；綜合考慮轉(zhuǎn)子的機(jī)械性能，w=1 mm是一個(gè)比較合理的尺寸。

圖3為第三、四代電機(jī)峰值工況電磁轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩組成的仿真結(jié)果。第三、四代電機(jī)峰值工況轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率分別為21%和25%，磁阻轉(zhuǎn)矩占總電磁轉(zhuǎn)矩分別為39.5%和48.4%。與第三代電機(jī)相比，第四代電機(jī)峰值工況電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率上升4%，但磁阻轉(zhuǎn)矩占總電磁轉(zhuǎn)矩的比例上升。

(a) 電磁轉(zhuǎn)矩

(b) 轉(zhuǎn)矩組成圖3 電機(jī)峰值工況電磁轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果

圖4給出了用有限元方法計(jì)算的第三、四代電機(jī)凸極比曲線。可見，第四代電機(jī)的凸極比比第三代電機(jī)的略有增加，磁阻轉(zhuǎn)矩利用率提高。

圖4 第三、四代電機(jī)凸極比曲線

1.2 有效材料消耗估算

表2給出了2種電機(jī)有效材料消耗的估算結(jié)果。由于第四代電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及磁阻轉(zhuǎn)矩利用率的提高，有效材料總質(zhì)量比第三代電機(jī)下降了19.6%，特別是釹鐵硼材料用量下降了26%，達(dá)到減小電機(jī)體積和質(zhì)量、降低制造成本的目的。

表2 2種電機(jī)有效材料消耗比較 kg

2 雙“一”轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖5是某國(guó)外公司內(nèi)置雙“一”轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)釹鐵硼磁阻電機(jī)(以下稱雙“一”形電機(jī))。該電機(jī)的第二層磁鋼的厚度和寬度大約是第一層磁鋼的2倍，第一層磁鋼兩側(cè)增加了2個(gè)細(xì)長(zhǎng)形空氣槽。表3是該電機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)。

圖5 雙“一”形電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)表3 雙“一”形電機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值峰值功率P/kW125最高轉(zhuǎn)速n/(r·min-1)11 400峰值轉(zhuǎn)矩T/(N·m)250極/槽配合12/72

2.1 峰值轉(zhuǎn)矩和脈動(dòng)率

下面討論雙“一”形電機(jī)轉(zhuǎn)子上、下二層磁鋼切向?qū)挾?分別為13mm和25mm)一定時(shí)，磁鋼徑向高度對(duì)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率的影響。討論h1變化時(shí)，下層磁鋼h2=6.5mm；討論h2變化時(shí)，上層磁鋼h1=3mm。圖6給出了上、下層磁鋼不同高度對(duì)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率影響的仿真結(jié)果，峰值工況電流設(shè)為412A。

(a) h1變化

(b) h2變化圖6 磁鋼不同高度對(duì)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩影響的仿真結(jié)果

從圖6(a)可以看出，隨著h1的增加，峰值轉(zhuǎn)矩隨之減小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率隨之先減小后增大；當(dāng)h1=3mm時(shí)，峰值轉(zhuǎn)矩達(dá)到要求值，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率為最小值；h1繼續(xù)增加，峰值轉(zhuǎn)矩有所下降，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率有所上升?？梢姡琱1=3mm為第一層磁鋼厚度一個(gè)比較合理的尺寸。觀察圖6(b)，隨著h2的增加，峰值轉(zhuǎn)矩先減小后增加，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率隨之先增大后減??；當(dāng)h2=6mm時(shí)，峰值轉(zhuǎn)矩達(dá)到要求值，在弱磁工況區(qū)域，不計(jì)飽和情況時(shí)，磁密大小與磁鋼充磁方向厚度成正比?？紤]該工況下鐵耗的大小，在滿足轉(zhuǎn)矩要求時(shí)，應(yīng)盡量減小h2的值，故h2=6mm為第二層磁鋼厚度一個(gè)比較合理的尺寸值。

2.2 鐵耗

圖7給出了雙“一”形電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速時(shí)鐵耗和負(fù)載氣隙磁密的仿真結(jié)果。從圖7(a)可知，有、無細(xì)長(zhǎng)形空氣槽雙“一”形轉(zhuǎn)子電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速時(shí)鐵耗分別為1.28kW和1.57kW，兩者鐵耗相差290W。觀察圖7(b)，有細(xì)長(zhǎng)形空氣槽雙“一”形轉(zhuǎn)子電機(jī)的3,5次負(fù)載氣隙磁密比無細(xì)長(zhǎng)形空氣槽的明顯下降，因此，雙“一”形轉(zhuǎn)子上層磁鋼兩側(cè)各增加2個(gè)細(xì)長(zhǎng)形空氣槽對(duì)降低電機(jī)鐵耗效果明顯。

(a) 鐵耗

(b) 負(fù)載氣隙磁密頻譜圖7 電機(jī)峰值轉(zhuǎn)速時(shí)鐵耗和負(fù)載氣隙磁密的仿真結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

1) 釹鐵硼磁阻電機(jī)是一種新型永磁同步電機(jī)，這種電機(jī)通過增加磁阻轉(zhuǎn)矩比重、達(dá)到減少磁鋼用量，提高性價(jià)比的目的；

2) 在轉(zhuǎn)子適當(dāng)位置開空氣槽，并對(duì)空氣槽尺寸進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于提高釹鐵硼磁阻電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩利用率，降低釹鐵硼材料用量，改善電機(jī)性能十分重要。