一種非對稱混合式永磁同步電機設計與分析

鄧紫榮，曾成碧，盧 楊，苗 虹，郭 欣，白 維，張志輝

(1. 四川大學 電氣工程學院，四川 成都 610065；2.四川革什扎水電開發(fā)有限責任公司，四川 丹巴 626300)

0 引 言

隨著人們對能源危機和環(huán)境污染等問題的日益重視，電動汽車行業(yè)應運而生，并且發(fā)展迅猛，同時對汽車驅動電機也提出了更高的要求。稀土永磁同步電機由于具有高功率密度、高轉矩密度、高效性、寬調速范圍等特點，在電動汽車領域內被廣泛應用[1-2]。但是稀土材料價格昂貴，這顯然影響到了稀土永磁電機的使用場景。永磁同步電機分為內嵌式和表貼式，具有結構簡單、高動態(tài)性能、調速范圍廣等優(yōu)勢[3]。但是因為內嵌式電機內部隔離橋因素，存在漏磁現(xiàn)象，表貼式電機磁通不強，故磁阻轉矩不大[4]。文獻[5]提出一種混合式永磁同步電機，并對其進行優(yōu)化取得了良好效果，兼顧了內嵌式和表貼式的優(yōu)點，但是混合式永磁電機使用鐵氧體材料，相對稀土材料磁性較弱，因此輸出轉矩相對較小。文獻[6]提出一種V型的永磁同步電機，相比普通永磁電機其具備更高的凸極率和更寬的調速范圍，但是這種電機的輸出轉矩利用率仍不是很高且電機結構機械魯棒性不強。文獻[7]提出一種輻條并聯(lián)式混合永磁電機，增加鐵氧永磁體填充面積，提高了轉矩性能，但是銣鐵硼材料利用率不高。文獻[8]中通過增加磁體，提出一種軸向永磁輔助同步磁阻電機，電機轉子軸向由表貼永磁電機和磁阻電機綜合組成，該電機具有較高的輸出轉矩和功率因素，但是磁路結構極為復雜，加工應用困難。文獻[9]提出在相鄰兩極之間增加輔助隔板的新型V型永磁同步電機，從而將電阻轉矩和永磁轉矩的最大電流相位角調到同一角度。但是由于此法中使用了隔板，削弱了一定的磁強，磁阻轉矩和永磁轉矩雖同時達到最大值，但是電磁轉矩不大，且轉矩脈動較嚴重。

在前述的研究中，這些方法都對電動汽車電機進行了各種改進提升，但是輸出轉矩還是不夠高，而且轉矩脈動過大。電機輸出轉矩是由磁阻轉矩和永磁轉矩構成，分析發(fā)現(xiàn)磁阻轉矩、永磁轉矩并不是在同一電流相位角達到最大值，這兩分量疊加的只是矢量和，而不是代數(shù)值，因此輸出轉矩并沒有有效利用達到最大值[10-12]。

為了提升電動汽車中驅動電機的動力性和運行可靠性 ，本文提出一種新型的轉子不對稱混合式永磁同步電機。新型電機內嵌鐵氧體材料，表貼少量稀土材料，考慮拓撲結構不對稱的電機結構，把電機轉子表面磁極沿轉子周向旋轉一個角度。利用有限元方法和凍結磁導率分割磁阻轉矩和永磁轉矩，迭代思想仿真計算，使兩者轉矩在同一電流相位下達到最大代數(shù)值疊加，從而使得輸出轉矩利用率達到最大值。新型電機與傳統(tǒng)對稱式永磁電機的仿真結果表明，在低成本和結構穩(wěn)定基礎上，新型電機的最大輸出轉矩增加7.52%，轉矩脈動減小39.15%。

1 電機結構設計

1.1 傳統(tǒng)轉子對稱式混合永磁同步電機結構

如圖1(a)展示了傳統(tǒng)轉子對稱式混合永磁同步電機截面結構圖。該電機為定子48槽，轉子8極結構，其中轉子磁極為內置式磁極與表貼式磁極混合組成。內置磁極材料選擇為鐵氧體，表貼磁極材料選擇為銣鐵硼。

電機模型的主要尺寸如圖1(b)、1(c)所示。電機的相關參數(shù)如表1所示。

圖1 電機模型的結構與尺寸

表1 電機尺寸參數(shù)

1.2 新型非對稱式混合永磁同步電機結構

在傳統(tǒng)永磁同步電機中，轉子設計一般采用周向對稱結構，所以直軸(d軸)與交軸(q軸)可以利用Pack變換來定義，如圖2(a)所示。本文將圖2(a)中表貼磁極逆時針旋轉θ機械角度后，新型電機模型示意圖如圖2(b)所示，其中內置磁極與表貼磁極的中心線互不重合，那么就應綜合表貼磁極與內置磁極兩者位置共同確定d軸與q軸。

圖2 兩種電機的轉子結構

2 電機轉矩特性分析

根據(jù)圖3(a)所示的矢量圖旋轉變換，在d-q軸旋轉坐標系中，永磁同步電機的電磁轉矩為

(1)

式中，Tpm為永磁轉矩，Tre為磁阻轉矩，p為極對數(shù)，Ia為相電流，θ為定子電流相位角，Ld與Lq分別表示d軸與q軸電感，λpm為永磁體磁鏈基波幅值。從式子中可以看出電機的輸出轉矩由永磁轉矩和磁阻轉矩兩部分組成，很顯然兩個轉矩分量不能同時取到最大值，轉矩沒有達到最大利用率。

在相同的運行條件下，利用凍結磁導率思想在商業(yè)軟件A nsys Maxwell中對傳統(tǒng)電機的電磁轉矩分割并進行有限元分析。在存在永磁體時，電流激勵條件下求出電機的電磁轉矩；之后把永磁體分離去除，在相同的電流激勵下得出電機的磁阻轉矩；那么永磁轉矩即可由電機電磁轉矩減去電機的磁阻轉矩獲得。由式(1)仿真得出傳統(tǒng)電機的轉矩特性曲線，如圖3(b)所示。從圖3(b)看出，傳統(tǒng)永磁同步電機的永磁轉矩與磁阻轉矩到達峰值時對應的相位角并不相等，兩者的電流相角相差45°，電磁轉矩的兩個分量沒有同時被充分利用。為了方便量化電磁轉矩的兩個分量的利用率，本文提出轉矩利用率因子K,表達式為

(2)

式中，Tu,pm為可利用永磁轉矩分量，Tu,re為可利用磁阻轉矩分量，Tpk,pm為永磁轉矩峰值，Tpk,re為磁阻轉矩峰值。為了同時充分利用電機永磁轉矩與磁阻轉矩，現(xiàn)將表面磁極沿周向逆時針旋轉一個機械角度θ，從而使得永磁轉矩與磁阻轉矩能在非常相近電流相位角處獲得最大值，進而提高轉矩利用率因子，最終達到輸出轉矩最大化的目的。表面磁極偏移角θ通過有限元分析軟件進行迭代計算得到，具體優(yōu)化設計流程如圖4所示。

圖3 傳統(tǒng)永磁同步電機的電磁轉矩分析

在相電流為106 A，轉速3000 r/min 時，對參考電機和本文提出的新型電機分別進行轉矩特性對比分析。如圖4中流程，利用仿真軟件迭代計算后，新型電機的偏移角θ確定為8.33°，參考電機和新型電機的轉矩利用率因子K如圖5所示，兩者的轉矩-相角特性曲線分別如圖6(a)、圖6(b)所示。從圖中易看出，參考電機兩個轉矩分量分別獲得最大值時候的電流相位角差為40°，新型電機的兩個轉矩分量到達峰值時的電流相角差為5°，新型電機的轉矩利用率因子達到98.12%。新型電機相比參考電機大大提升了轉矩利用率因子和整體的電磁輸出轉矩。

圖4 電機優(yōu)化設計流程圖

圖5 轉矩利用率因子

圖6 兩種電機的轉矩特性

3 電磁性能分析

3.1 電機輸出轉矩與轉矩脈動

加工工藝、轉矩電流不穩(wěn)定等因素會造成轉矩脈動，從而縮短電機設備壽命。為方便對比兩種電機設備性能，定義轉矩脈動系數(shù)Kr如下：

(3)

式中,Tmax與Tmin分別為穩(wěn)態(tài)下最大與最小瞬時值，Tavg為平均轉矩。

圖7(a)中分別為參考電機和新型電機的最大輸出轉矩，新型電機相比參考電機最大輸出轉矩增大了7.52%。在圖7(a)基礎上依據(jù)式(3)計算得出圖7(b)，即為兩電機最大輸出轉矩時對應的轉矩脈動系數(shù)。從中得出新型電機的轉矩脈動系數(shù)減小近39.18%，有效延長了新型電機設備使用壽命。圖7(c)為兩電機最大輸出轉矩時對應永磁轉矩與磁阻轉矩，可以看出新型電機電磁轉矩的兩個分量均有增加，其中永磁轉矩增加了9.84%，磁阻轉矩增加了4.95%，從而使得新型電機電磁轉矩顯著增大。

圖7 兩種電機的電磁性能分析

3.2 空載反電動勢

圖8(a)、圖8(b)分別為參考電機和新型電機空載時反電動勢以及反電動勢諧波含量。從整體上來看，兩者的空載反電動勢與空載反電動勢諧波含量基本相同，新型電機沒有惡化效果。

圖8 空載反電動勢

3.3 齒槽轉矩

當永磁同步電機繞組不良好通電時，定子與永磁體之間會產生齒槽轉矩，影響電機性能表現(xiàn)。參考電機和新型電機的齒槽轉矩波形對比如圖9所示。表面磁極偏移后，整體上來看齒槽轉矩有所減小。新型電機齒槽轉矩相對于參考電機減小了34.08%。

圖9 齒槽轉矩波形圖

3.5 電機其他性能參數(shù)

在相電流為106 A，轉速3000 r/min 時，轉子表面磁極偏移前后電機其他各項性能指標如表2所示。新型電機相比參考電機，鐵耗減小，定子銅耗不變，效率以及功率因素都有所提高，輸出功率大大增加。

表2 電機性能指標

4 結 論

本文提出一種新型轉子不對稱的混合式永磁同步電機。為了讓電機電磁轉矩的分量--磁阻轉矩與永磁轉矩在相同電流相位角處達到最大，把表面磁極沿周向偏移一個機械角度從而達到目的。最后的有限元仿真結果顯示，本文在不明顯增加電機材料成本與加工制造成本的基礎上，新型電機的最大輸出轉矩增加了7.52%，轉矩脈動減小了39.15%，齒槽轉矩減小了34.08%，結果證明本文所提電機在電動汽車領域有一定的實際應用價值。