車用高性能永磁同步電機磁極設(shè)計綜述

董新偉，王一飛，楊 磊

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000；2.92351部隊，海南 三亞 572016)

0 引 言

隨著當(dāng)今環(huán)境日益惡化，石油、煤炭等化石能源逐漸枯竭，為減少環(huán)境污染、倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展，人類在不斷探索用清潔能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源。汽車作為人類出行的重要工具，在帶來巨大便利的同時，也造成了嚴重的能源和環(huán)境污染問題。為解決這一問題，電動汽車應(yīng)運而生。

近年來，電動汽車發(fā)展迅猛，其驅(qū)動電機主要有異步電機和永磁同步電機。與異步電機相比，永磁同步電機具有損耗小、功率密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，適合于低速、高速等各種復(fù)雜路況，因此多數(shù)車企選擇永磁同步電機來提供車輛的續(xù)航里程[1]。為提高電動汽車的續(xù)航里程和行駛效率、降低行駛損耗，必須對驅(qū)動電機進行合理的設(shè)計。

1 車用永磁同步電機設(shè)計要求

驅(qū)動電機在電動汽車上承擔(dān)了類似于發(fā)動機在傳統(tǒng)汽車上的功能，車輛行駛時，依靠驅(qū)動電機提供的轉(zhuǎn)矩來提供行進的動力。驅(qū)動電機在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運行時轉(zhuǎn)矩保持恒定，功率隨著轉(zhuǎn)速的上升而線性增加，驅(qū)動電機在恒功率區(qū)運行時功率保持恒定，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的上升呈雙曲線減小。如圖1所示，當(dāng)汽車起步和加速時，需要較高轉(zhuǎn)矩，因此電動汽車主要運行于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，以獲得較大的加速度。當(dāng)驅(qū)動電機由于轉(zhuǎn)速的增加，使得功率達到最大值時，主要用來克服行駛阻力，轉(zhuǎn)矩消耗比較小，因此電動汽車主要運行于恒功率區(qū)以獲得較高的車速[2]。

電動汽車驅(qū)動用電機及其控制系統(tǒng)的要求為：在整個運行范圍內(nèi)具有較高的效率；有較強的過載能力、快速的動態(tài)響應(yīng)及良好的起動加速性能；調(diào)速范圍寬，且低速運行時能夠提供大轉(zhuǎn)矩；高可靠性、高功率密度及低成本。

圖1 車用電動機外特性

2 磁極設(shè)計要點

與傳統(tǒng)電勵磁電機不同，永磁同步電機的勵磁磁場由自身的永磁體產(chǎn)生，因此磁極設(shè)計對永磁電機來說十分重要，合理的磁極設(shè)計可以提高永磁電機的性能，減小各項損耗。論文分別從永磁體材料的選擇，永磁體的位置、形狀、層數(shù)等方面論述對電機性能的影響及設(shè)計要點。

2.1 永磁體材料選擇

高性能永磁同步電機的永磁體材料需要具有較高的剩磁、矯頑力以及最大磁能積，而且還應(yīng)有較高的工作溫度和熱穩(wěn)定性。由于車用電機體積小，散熱條件較差，汽車在長時間高速行駛時電機溫升過高，極易造成永磁體發(fā)生不可逆退磁。

釤鈷材料含有儲量稀少的稀土金屬釤和鈷，價格昂貴，因此它的發(fā)展受到了很大的限制。鋁鎳鈷材料的磁性能較低，但工作溫度可達600℃。釹鐵硼材料的矯頑力和磁性能都很優(yōu)越，溫度穩(wěn)定性好，價格相對釤鈷材料低。綜合各項指標，為滿足車用電機的要求，多選用釹鐵硼作為永磁體材料。

2.2 永磁體位置

永磁同步電機按照永磁體在轉(zhuǎn)子的位置可分為表貼式和內(nèi)置式。表貼式結(jié)構(gòu)交直軸電抗相等，磁阻轉(zhuǎn)矩為0，電機抗去磁能力差，弱磁能力有限，轉(zhuǎn)矩密度較小，不能滿足電動汽車寬調(diào)速范圍的要求。內(nèi)置式永磁體結(jié)構(gòu)與表貼式相比，存在較大的漏磁，但永磁體深埋于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，機械強度大，增加了電機轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時的安全性。

對于永磁同步電機，其轉(zhuǎn)矩公式為

(1)

式中，Ld為直軸電感，Lq為交軸電感，id為直軸電流，iq為交軸電流，ψpm為永磁磁鏈，pn為電機的極對數(shù)。

內(nèi)置式結(jié)構(gòu)d軸電感小于q軸電感，存在磁阻轉(zhuǎn)矩，而永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩為永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩之和，在達到同樣大小轉(zhuǎn)矩時，內(nèi)置式結(jié)構(gòu)能夠充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，使永磁轉(zhuǎn)矩的比重減小，節(jié)約永磁體用量，而釹鐵硼的價格昂貴，如此可大大降低成本。此外，文獻[3-4]指出這種轉(zhuǎn)子磁路的不對稱性可以提高電機的功率密度和弱磁能力。由于內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，因此制造工藝較表貼式結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。

對于內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，永磁體的渦流損耗對電機性能影響很大，為提升電機運行效率，必須抑制渦流損耗。而電樞反應(yīng)磁場是造成渦流損耗的主要原因，為減小電樞磁場對永磁體的滲透，將永磁體從轉(zhuǎn)子表面深埋進轉(zhuǎn)子內(nèi)部，即由表貼式結(jié)構(gòu)發(fā)展為內(nèi)置式結(jié)構(gòu)成為現(xiàn)代高性能永磁同步電機的一個發(fā)展趨勢。

2.3 永磁體的形狀

永磁同步電機的氣隙磁密主要由永磁體產(chǎn)生，可實際上氣隙磁密除了基波成分外，還存在復(fù)雜的諧波成分，氣隙磁密的非正弦性會對電機性能造成影響，例如氣隙磁密中的5次和7次諧波導(dǎo)致電機出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動，使得汽車在行駛中出現(xiàn)電磁振動和噪聲問題，降低NVH性能，因此轉(zhuǎn)矩脈動的抑制成為車用電機設(shè)計必須重點考慮的問題。此外，電機控制的很多理論都是基于氣隙磁密和反電動勢正弦為前提的，氣隙磁密正弦化也有利于電機控制時風(fēng)險的降低，而對永磁體的形狀進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整可以使氣隙磁密偏向正弦化。

文獻[5-7]表明對表貼式結(jié)構(gòu)的永磁電機，永磁體形狀通常為瓦片形，為使氣隙磁密正弦化，對永磁體的外輪廓進行正弦化修形，將永磁體分為正弦部分和非正弦部分，通過調(diào)整正弦化厚度來調(diào)節(jié)永磁體的正弦程度，在修形時應(yīng)進行適當(dāng)調(diào)整，過度追求正弦化，會導(dǎo)致永磁體邊緣變薄，容易碎裂，同時這種方法會造成永磁體的浪費，增加電機制造成本和工藝難度。

對內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的永磁電機，永磁體的形狀通常為矩形，如圖2所示，有一字型、V型、U型、Spoke型等結(jié)構(gòu)。不同的磁極結(jié)構(gòu)對電機的磁阻轉(zhuǎn)矩、弱磁能力、氣隙磁密等有著不同的影響。高磁阻轉(zhuǎn)矩要求高凸極比，q軸磁路保持通暢，d軸電感較小。弱磁能力強要求高凸極比，d軸電感較大。經(jīng)過比較，V字和U字結(jié)構(gòu)的磁阻轉(zhuǎn)矩最大，一字型結(jié)構(gòu)的q軸磁路不如V字型結(jié)構(gòu)通暢，Lq較小。Spoke結(jié)構(gòu)的d軸磁路比V字型結(jié)構(gòu)更為通暢，Ld較大。

圖2 一字型，V字型，U字型，Spoke結(jié)構(gòu)

提高永磁電機的工作效率，關(guān)鍵在于降低各類損耗。其中渦流損耗占主要部分。車用電機需要具有寬調(diào)速范圍，弱磁使電機工作轉(zhuǎn)速范圍擴展，但弱磁磁場會使氣隙磁密畸變，諧波含量增加，永磁體產(chǎn)生的渦流損耗明顯增加。為解決這個問題，將永磁體進行軸向分段，提高環(huán)流電阻，以此降低渦流損耗。對內(nèi)置式結(jié)構(gòu)還可以對永磁體槽進行修形，增加低次諧波回路的磁阻，抑制諧波的幅值，從而降低諧波磁場對永磁體的影響。

2.4 永磁體的層數(shù)

文獻[8-9]指出早期的內(nèi)置式結(jié)構(gòu)多采用單層永磁體，后來為了提高汽車的起動性能和效率，采用多層永磁體結(jié)構(gòu)增大凸極比，增加磁阻轉(zhuǎn)矩所占的比重，提高電流利用率，進而提高電機的轉(zhuǎn)矩密度。多層永磁體結(jié)構(gòu)使得d軸磁路磁阻增大，Ld減小，同時要保證q軸磁路間的均勻。常見的多層結(jié)構(gòu)主要有雙V字型，V+一字型等。多層結(jié)構(gòu)不僅可以提高磁阻轉(zhuǎn)矩，同時也可以增加氣隙磁密的正弦性，減小3、5次諧波含量，極大地削弱電機轉(zhuǎn)矩脈動和轉(zhuǎn)子渦流損耗，提升汽車的NVH性能和運行效率。

3 方案對比

豐田Prius系列作為新能源汽車的先驅(qū)，其永磁電機經(jīng)歷I代到IV代的演變，時間跨度近20年，從Prius電機的發(fā)展歷程，對比不同電機設(shè)計方案的性能優(yōu)劣，為永磁電機未來的發(fā)展提供參考。

3.1 Prius I代

如圖3所示，Prius I代的磁極結(jié)構(gòu)為內(nèi)置一字型。此時，永磁電機屬于初步發(fā)展階段，市場上表貼式結(jié)構(gòu)占主要部分，豐田推出的Prius I代電機采用48槽8極結(jié)構(gòu)，這個槽極比一直沿用至今，永磁體從表貼式過渡到內(nèi)置式，克服了永磁體易退磁的缺點，有了凸極比后利用磁阻轉(zhuǎn)矩使電機的轉(zhuǎn)矩密度提升，氣隙厚度也隨之減小，減小了永磁體的用量。不僅如此，I代結(jié)構(gòu)加入了凸起的磁橋，利用退磁磁場旁路原理提高永磁體的抗退磁能力。永磁體兩極間的q軸磁路也做了加寬處理，提高Lq進而提高凸極比，充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，這種理念一直影響著后面永磁電機的轉(zhuǎn)矩密度優(yōu)化設(shè)計。

圖3 Prius I代電機

3.2 Prius II代

如圖4所示，Prius II代的磁極結(jié)構(gòu)為內(nèi)置式V字型。為了提升電機的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，通過優(yōu)化q軸磁路進一步提高磁阻轉(zhuǎn)矩，V字型結(jié)構(gòu)可以很好地解決這個問題。相比于I代的一字型結(jié)構(gòu)，V字型結(jié)構(gòu)使永磁體進一步內(nèi)埋，提高安全性；兩個q軸磁路更加平衡均勻，平均磁阻最小，Lq增大，經(jīng)過實驗分析，該結(jié)構(gòu)電機的最大可能磁阻轉(zhuǎn)矩比例可達40%。V字型結(jié)構(gòu)也有利于通過聚磁提高氣隙磁密強度，因此它的永磁轉(zhuǎn)矩也會增大。在電機尺寸沒有太大變化的條件下，II代和I代相比，峰值功率從33 kW提高到50 kW，性能提升效果顯著[10-13]。

圖4 Prius Ⅱ代電機

然而，II代產(chǎn)品存在一些問題需要解決。電機氣隙磁密和反電動勢的正弦性較差，通過實驗分析其氣隙磁密為梯形波，有大量的5次和7次諧波成分，這導(dǎo)致了該產(chǎn)品的轉(zhuǎn)矩脈動較大。

3.3 PriusⅢ代

如圖5所示，PriusⅢ代的磁極結(jié)構(gòu)為內(nèi)置式V字型。與之前的產(chǎn)品相比做出了兩處改動。第一，在永磁體中間部分加入了磁橋，不僅可以提高結(jié)構(gòu)強度，也增強了弱磁能力，使電機的調(diào)速范圍加寬，最大轉(zhuǎn)速提升。第二，在轉(zhuǎn)子外圓增加了輔助槽，既有利于提高氣隙磁密的正弦性，又可以降低轉(zhuǎn)矩脈動。與II代產(chǎn)品相比，氣隙磁密的正弦性大幅度提高，轉(zhuǎn)矩脈動顯著下降，汽車的NVH性能得到提升[14]。

圖5 Prius Ⅲ代電機

3.4 Prius Ⅳ代

如圖6所示，Prius IV代的磁極結(jié)構(gòu)為內(nèi)置式V字型雙層永磁體。雙層永磁體結(jié)構(gòu)是通過多層磁障進一步阻礙d軸磁路，而q軸磁路并未受多大影響，因此凸極比提高，通過提高凸極比來提升磁阻轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)少稀土，節(jié)約永磁體用量，提高轉(zhuǎn)矩密度。除此之外，雙層結(jié)構(gòu)將氣隙磁密調(diào)整為一個中間高，兩邊略低的階梯波，使得氣隙磁密更接近正弦形。經(jīng)實驗分析，IV代電機的氣隙磁密3、5次諧波含量都以得到抑制。IV代對永磁體軸向分段處理，可以抑制渦流損耗，提升電機效率。加入分流磁橋使得Ld增大，弱磁能力增強，電機轉(zhuǎn)速最高可達17500 r/min。

圖6 Prius IV代電機

4 結(jié) 語

本文以車用高性能永磁同步電機的磁極設(shè)計入手，分析得出磁極設(shè)計的思路及對電機各項性能的影響，對比了豐田Prius系列四代電機設(shè)計方案的性能優(yōu)劣，驗證了車用高性能永磁同步電機磁極設(shè)計思路：

(1)提高轉(zhuǎn)矩密度：采用內(nèi)置式多層永磁體結(jié)構(gòu)，提高凸極比和永磁體的安全性，提高磁阻轉(zhuǎn)矩；采用高性能永磁體，提高永磁轉(zhuǎn)矩；對永磁體進行正弦化修形，使氣隙磁密偏向正弦，降低轉(zhuǎn)矩脈動。

(2)提高功率密度：關(guān)鍵在于抑制電機各項損耗，對永磁體進行軸向分段可降低渦流損耗；采用多層永磁體結(jié)構(gòu)改善氣隙磁密的正弦性，降低氣隙磁密的諧波含量，進而降低諧波造成的損耗。

(3)提高弱磁能力：采用多層永磁體結(jié)構(gòu)減小Ld來提高弱磁能力，車用電機需要寬調(diào)速范圍，弱磁能力強可以提高電機的最大轉(zhuǎn)速。