新型電子變極式五相永磁電機的優化設計

侯政良

（海軍裝備部，北京 100080）

目前，變極式五相永磁電機被廣泛應用于生產的各個領域，是很多系統不可或缺的動力主要來源之一。為實現變極式五相永磁電機性能的最優化效果，滿足更多應用領域的現實要求，需要對永磁電機進行優化設計，提升其動力性能，使得電機的運轉效率達到更佳水平。尤其是電動汽車等應用領域，會因為永磁電機的性能改善得到較大優化[1]。這是對變極式五相永磁電機自身發展潛力的一個深入挖掘，可通過其應用領域的拓展驗證其具有重要的現實價值。

1 多相永磁電機優化設計概述

多相永磁電機在很多領域的應用因其轉矩密度和功率密度高，同時在容錯能力方面具有突出優勢，得到了業界的高度認可[2]。目前，快速發展的電動汽車產業對多相永磁電機需求巨大，因此不斷優化多相永磁電機的性能十分必要。市場的巨大需求促使其相關研究持續深入，并獲得了較大進展。

多相永磁電機主要采用矢量解耦控制模式，利用非正弦波電流的波形特點，與三相直流無刷電機相比，在性能上可實現同樣的轉矩密度，同時可將轉矩脈動保持在較低水平，性能提升顯著。在實際的優化設計中，選擇多相冗余設計從根本上改善了電機的容錯能力。同時，考慮開路故障的情況，傳統三相電機采用星形連接方式，需要改變硬件連接才能修復故障。但是，多相電機通過調整控制算法即可保證輸出能力達到所需要求，使得電機系統開路故障不會造成更大的破壞。利用高次諧波電流能夠實現電子變極，因此可以利用對諧波電流的控制實現對電機輸出性能的優化。

2 新型電子變極式五相永磁電機的優化設計分析

在新型電子變極式五相永磁電機的優化設計中，最核心的技術突破是繞組和轉子的結構設計[3]。充分考慮這兩個問題，提升其具體性能，有助于整個設計達到預期的優化目標?；诖?，在進行新型電子變極式五相永磁電機的優化設計過程中，必須將繞組結構設計和轉子結構設計作為核心的技術內容。

2.1 繞組結構優化設計

新型電子變極式五相永磁電機的優化設計中，選擇合適的繞組結構至關重要。通常情況下，較為普遍采用的繞組結構設計模式為分數槽集中繞組，設計優勢體現在制作簡單、繞組端部短等方面。繞組結構能否實現高性能，取決于繞組因數和磁動勢兩個方面[4]。

2.1.1 繞組因數

計算新型電子變極式五相永磁電機的繞組因數時，需要按照繞組函數理論，采用式（1）計算每個諧波繞組的分布矩陣。實際計算時，針對分布矩陣一列計算，就可以得到對應的繞組因數。

式中：m為繞組相數；Qs為繞組槽數；di,n為諧波矩陣中第i行第n列的數值；p為繞組的極對數。不同繞組可以視為不同m、Qs、p的組合，將相關參數代入式（1），就能夠非常方便地計算繞組因數。

在實際的優化設計中，雙極性電機還需要考慮槽與極數組合選擇所涉及的基波和3 次諧波。對于電子變極式五相永磁電機繞組的組態選擇，本文選擇20 槽8 極模式。計算它的基本繞組因數，可以得到數據k1=0.588；計算它的3 次諧波繞組因數，可以得到k3=0.958。對比不同繞組因數數值，可以得到更好的組合模式。此外，需要考慮不同繞組組合形成的磁動勢諧波問題，只有滿足最優化效果，才能作為最優設計。

2.1.2 磁動勢

分析新型電子變極式五相永磁電機的磁動勢，在考慮某相的繞組函數的情況下，如果注入繞組磁動勢為1 A 恒流，則可以由此獲得該繞組磁動勢的空間分布，且其時間分布與通入電流的變化隨時間確定。計算永磁電動機的各相繞組函數和定子電流輸入，可獲得相應的合成磁動勢。它可以描述為繞組函數與電流的直接乘積：

在整個計算中，需要將電流諧波的情況作為基本因素加以考慮。對于五相電機來說，它的基波和3 次諧波是分析的重點。實際的優化設計需要將具備大繞組因數的組合作為對象，利用給定基波和3 次諧波電流，具體研究磁動勢分布和諧波頻譜。繞組因數大，會伴生很多諧波雜波，造成轉子和永磁體內部渦流，導致電能損耗嚴重，甚至會造成永磁體發生退磁問題，影響電機的整體性能。

圖1為五相20 槽8 極的磁動勢和諧波情況。當基波電流被注入到電機內部，由諧波次數克制其工作諧波為4，因此其對應的工作模式為4 對極模式，此時電機有較低含量的磁動勢諧波，渦流形成的損耗相對較小。當3 次諧波電流被通入電機，如圖1（b）所示，正常的工作諧波次數12，此時電機運轉在12 對極工作模式下。在五相永磁電機中被注入基波電流和3 次諧波電流后，所產生的旋轉磁場轉速保持同速，計算電機輸出轉矩即將二者相加。

2.2 轉子結構設計

確定槽極數組合的繞組，提高其3 次諧波電流輸出所產生的轉矩，其整體效果與Brotor 值密切有關。Brotor 值的大小主要受幾個因素影響，其中轉子永磁體幾何形狀是最關鍵的因素[5]。轉子結構優化設計的主要目的是確定繞組槽極數組合，同時設計轉子永磁體的形狀，以輸出最大的轉矩值。具體的結構分析需要從永磁體形狀設計、邊緣厚度設計以及最大轉矩電流比設計3 個方面進行。

2.2.1 永磁體形狀設計

對于電子變極式五相永磁電機來說，優化設計的特定價值來自基波電流等的注入可以形成相適應的轉矩值。電動機永磁體形狀的設計，要確?；ê? 次諧波的電動勢數值恒定統一。永磁體形狀可以取決于電動勢與繞組因數。如果永磁電機的氣隙磁通密度中只有基波和3 次諧波，計算電機氣隙通量密度和永磁體厚度間的數量關系，就可以描述磁體形狀，并使得3 次諧波磁通密度持續強化和輸出轉矩增加。

2.2.2 永磁體邊緣厚度設計

永磁電機性能一定程度上受永磁體邊緣厚度的影響。根據有限元模型進行數學分析，磁體邊緣厚度不同，其氣隙磁通密度也會有完全不同的分布。磁體厚度保持恒定的條件下，永磁電機的磁通密度會出現基波增加的情況，同時會相應降低永磁電機的3 次諧波。

2.2.3 最大轉矩電流比設計

在五相電機中，由基極電流和3 次諧波電流產生的電磁轉矩的最大轉矩電流比策略實現電流輸出最大轉矩。對于確定有效值的電流，對轉矩的優化可以利用對基波與3 次諧波電流最佳注入比進行推導。電流有效值確定的情況下，實現最大轉矩的輸入電流，其電流比控制策略可以簡述為3 種模式，分別為只注入基波電流、只注入3 次諧波電流以及同時注入基波和3 次諧波電流。經過實證化研究發現，只注入3 次諧波電流的策略有相對優勢，不但能夠增加輸出轉矩，而且可以改變電機極性，進一步拓展了電機的轉速范圍，充分保障了設計的合理性。

2.3 與等效三相電機的比較

為確定電子變極式五相永磁電機優化設計效果，將其與等效三相電機進行比較，發現其整體性能得到了較大改善。

2.3.1 等效三相電機結構

等效三相電機設計要滿足3 個基本條件，分別為三極數相同，槽數及繞組與五相電機保持一致，氣隙通量密度幅度相等。基于此，可以得到等效三相電機的設計結構。三相和五相電機的有限元比較，如圖2所示。

2.3.2 性能比較

對兩種電機性能進行比較，要基于控制策略的條件對兩種電機的綜合性能進行比較。衡量性能的最重要指標是電壓和電流限制條件下電機的最大扭矩和運轉速度。從對比情況看，低速運轉狀態下，三相電機能夠產生更高的輸出轉矩，主要原因是電子變極式五相永磁電機的氣隙磁密較小，出現這種結果是必然。在高速運轉狀態，電子變極式五相永磁電機可以達到非?？捎^的最大運行速度，而等效三相電機難以達到這一效果。可見，電子變極式五相永磁電機在高速運行需求領域擁有更大的發展空間。

3 結語

電子變極式五相永磁同步電機是一種新型的永磁電機設計模式，電機轉矩密度、功率密度以及容錯能力等性能方面表現優秀。從整個優化設計的過程出發對其進行分析，需要解決的核心問題是繞組和轉子結構的設計。因此，重點考慮繞組因數、磁通量分布、永磁體形狀和最大轉矩比等內容，通過對多相永磁電機進行系統分析和輔助設計，使得相關因數達到最佳的配合狀態，從而最終確定電子變極式五相永磁電機的整體性能。