永磁同步電動機不同轉子結構的性能研究

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生產應用中追求高功率密度、高轉矩密度，實現生產生活不同領域的智能控制，在永磁電機設計過程中保證效率的同時兼顧電動機機械特性、以及調速范圍，如何設計能進一步實現高性價比的永磁同步電動機是本文的意義所在。

用于汽車行業的主驅電機追求高功率密度、寬調速范圍、高可靠性等卓越的綜合性能指標，內嵌式轉子結構由于其本身固有的高可靠性特點在汽車主驅永磁電機中得到廣泛應用。內置式轉子結構型式多種多樣，與其相關研究成果也很多。文獻[1]詳細介紹了永磁同步電動機內置式轉子的V形和切向型結構，并列舉了6種不同轉子的凸極率；文獻[2]論述了一種汽車永磁電機V形轉子的參數分析過程及對弱磁控制的影響；文獻[3]重點研究了一種內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、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[4]。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，定子影響主要體現在定子繞組分布情況、定子槽數等，這與異步電機區別不大；而轉子的影響則體現在整個磁路上，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置式兩種，內置式轉子結構相對復雜，本文以內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；而內置式永磁同步電動機根據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[5]。

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[6]

根據圖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[6]：

(2)

式中：p為極對數；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；B為每極氣隙磁密；S為每極磁通面積。又根據電感差：

(Lq-Ld)∝ρ

(4)

不計弱磁角度、極對數以及電樞電流影響，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、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

本文以某款國產汽車電機的主體結構為例，其具體性能參數指標如表1所示，進行典型規格優化設計。

表1 某款國產汽車電機性能指標參數

在研究過程中，先結合工程實際應用，設定相同的定子參數，在其基礎上進行市場調研，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，匯總數據。然后針對仿真數據進行分析，分別計算最大輸出功率、最大轉矩、反電動勢系數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、以及反電動勢系數磁鋼體積比，比較各轉子方案性能優勢及經濟性。

2.2 研究過程

2.2.1 建立模型

根據表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[7]，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 結果對比與數據分析

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置式永磁同步電動機的凸極效應，發揮其固有機械特性，在仿真計算采用的控制策略是“恒轉矩區域采用單位電流最大轉矩控制，恒功率區則采用弱磁控制”。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，相同定子參數下，不同轉子在恒轉矩區能產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

在相同定子參數下，不同轉子在恒功率區能產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 數據分析

針對不同轉子方案的數據匯總，計算出各不同方案參數，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生的功率和反電動勢系數值，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勢。

綜合比較：

凸極比最優前三方案排序：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，根據大數據計權排名原則，方案4無論是功率密度還是轉矩密度都有競爭優勢，其單位體積磁鋼產生的反電動勢系數值也較高，是5種方案中最優方案之一。

4 結語與展望

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

然后以某汽車用永磁同步電動機案例為研究對象，對5種不同內置式轉子結構方案進行了效率功率圖仿真計算，并結合單臺電機磁鋼總用量，分別計算各方案單位永磁材料產生的功率、轉矩、反電動勢值等，進而分析了不同結構轉子的性價比，最終確定了V字形結構是5種方案中較有優勢的設計方案。

從本文的分析過程中可以發現，在相同條件下，對于內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現，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自動化驅動系統。在永磁同步電動機優化過程中，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。

針對本文的具體案例，單獨某一種轉子結構方案(比如V字形轉子方案)還不能完全滿足驅動系統要求，后面可以結合切向、混合型轉子結構進一步優化，這需要從電機本體、驅動、以及多物理場耦合等不同維度去研究，最終開發出符合市場規律的電機驅動系統產品。