永磁同步電機軸向集成設計及驅動拓撲優化研究

摘要：永磁同步電機因其高效、高功率密度、無換向等優點在工業和交通領域得到了廣泛應用，但傳統的永磁同步電機存在電磁噪聲大、溫升高、整體結構復雜等問題，亟須通過創新設計進行改進。為此分析了永磁同步電機在汽車領域的發展現狀及面臨的挑戰，提出了一種將軸向集成設計優化與驅動拓撲優化相結合的設計方法，構建了永磁同步電機軸向集成及驅動一體化解決方案。

關鍵詞：永磁同步電機；軸向集成設計；驅動拓撲優化

中圖分類號：U462 收稿日期：2024-09-11

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.026

1 前言

永磁同步電機（PMSM）憑借其高效率、高功率密度、高可靠性等優點，在工業自動化、家用電器、新能源汽車等領域得到了廣泛應用[1]。但與此同時，傳統的PMSM設計也存在一些不足，例如電磁噪聲大、溫升高、整體結構復雜等，這些問題制約了電機的進一步優化和推廣應用。為了解決這些挑戰，研究人員需要從電機的結構設計和驅動電路兩個層面進行創新性的改進。本文提出了一種將PMSM的軸向集成設計優化和驅動拓撲優化相結合的全新方法，旨在通過協同優化降低電磁噪聲、控制溫升、提高功率密度、簡化整體結構，最終構建一種高效節能、結構緊湊、可靠性高的PMSM解決方案，以滿足新能源汽車等領域對電機日益增長的性能要求，推動PMSM的發展。

2 永磁同步電機的發展現狀

PMSM因其高效率、高功率密度和優異的動態性能而在許多工業應用中得到廣泛使用，特別是在電動汽車、航空航天、工業自動化和家用電器等領域。

近年來，PMSM技術的發展主要集中在提高效能和降低成本上。從設計和材料的創新來看，采用新型高性能永磁材料大幅提升了電機的效率和扭矩密度。電機設計方面，通過優化磁路設計和采用先進的冷卻技術，有效提升了電機的熱管理能力和功率輸出[2]。在控制策略方面，隨著數字控制技術的發展，研究人員采用基于DSP或FPGA的控制器，實現了電機控制的高精度和快速響應。現代控制理論，如矢量控制和直接轉矩控制，被廣泛應用于PMSM的速度和位置控制中，這些控制策略不僅提高了電機的動態性能，還優化了能耗。

另外，PMSM的應用領域正在迅速擴展。在電動汽車領域，PMSM因其高效率和優良的加速性能，成為電動車驅動系統的首選。隨著全球對新能源汽車的需求持續增長，PMSM在該領域的應用預計將進一步擴大[3]。此外，在可再生能源領域，特別是風力發電，PMSM也因其適應不同風速的能力和高效的能量轉換效率而被廣泛采用。在家用電器和工業自動化領域，隨著智能制造和智能家居的發展，PMSM的應用也在持續增加。例如，現代家用空調、洗衣機等設備中普遍采用PMSM，以實現更高的能效和更佳的用戶體驗。市場研究顯示，全球PMSM市場正在以穩定的年增長率擴展，預計未來幾年內將持續增長，主要受到電動汽車和自動化工業增長的推動。

3 永磁同步電機面臨的挑戰

PMSM作為一種高效率和高性能的電機解決方案，在多個行業中得到廣泛應用。然而，盡管它們帶來了許多優勢，但在推廣和應用過程中也面臨一系列挑戰。PMSM的制造成本相對較高，主要由于使用了昂貴的稀土永磁材料，如釹鐵硼（NdFeB）。稀土材料不僅價格昂貴，而且市場供應不穩定，采礦和提煉稀土元素的環境影響也是一個重要問題，因為這些過程可能導致嚴重的環境污染和生態破壞，相關因素共同推高了PMSM的生產成本，限制了其在成本敏感型應用領域的廣泛采用。

盡管PMSM在效率和性能上具有顯著優勢，但在高負載或高速運行條件下，電機的穩定性和可靠性仍然面臨挑戰。永磁材料在高溫環境下可能會出現退磁現象，這會降低電機的性能并可能導致永久損壞，PMSM在設計和制造過程中對精度的要求極高，任何微小的制造缺陷都可能影響電機的性能。例如，永磁體的不均勻分布或固定不當可能導致轉子不平衡，從而增加振動和噪聲，縮短電機壽命，PMSM的控制策略也較為復雜，需要精確的控制算法和高性能的控制系統來保證其運行的穩定性和效率，這對控制系統的設計和實現提出了更高要求。

這些挑戰不僅影響了PMSM的市場推廣速度，也成了制約其在未來高技術領域應用擴展的關鍵因素。因此PMSM的未來發展需要在降低成本、提高材料效率以及優化設計和控制策略方面取得進一步的技術突破。

4 軸向集成設計優化與驅動拓撲優化耦合分析

針對PMSM在電磁噪聲、溫升、功率密度和結構復雜度方面存在的挑戰，本文提出了一種將PMSM的軸向集成設計優化與驅動拓撲優化相結合的創新方法。軸向集成設計優化通過對定子、轉子和外殼等核心部件進行一體化重構，優化電機的整體布局和磁路設計，能夠有效降低電磁噪聲和溫升，提高機械強度和可靠性；與此同時，驅動拓撲優化則著眼于引入新型器件和拓撲結構，降低驅動系統的損耗，顯著提升功率密度和響應速度。兩種優化手段通過緊密協同，相互促進、協同作用，能夠解決PMSM面臨的各種挑戰，而且能夠構建一種全新的、高度集成化的PMSM系統解決方案，為電機技術在新能源汽車等領域的應用提供強有力的支撐。

4.1 軸向集成設計優化

在PMSM的設計過程中，軸向集成設計優化是一項關鍵技術，它主要涉及電機的結構設計和磁路優化，以實現更高的效率和性能[4]。軸向集成設計優化可以改善電機的熱管理和結構強度，還能提升其電磁性能。

在PMSM的軸向集成設計中，磁路優化是提高電機效率和性能的核心，這涉及對永磁材料的布局、磁極的形狀以及磁隙的大小進行精確計算和設計。優化的目標是最大化磁通密度和減少磁路中的磁阻，從而提高電機的扭矩密度和減少鐵損。磁路設計可以通過以下公式來描述磁通密度B：

[B=ΦA] （1）

式中，Φ為通過磁路的磁通量；A為磁路截面積，通過優化磁極的形狀和尺寸，以及調整永磁材料的分布，研究人員可以有效地控制磁通量的分布，從而優化磁通密度。

在軸向集成設計中，電機的結構和熱管理也是優化的重要方面。結構優化主要集中在電機的整體布局和組件設計上，以實現更好的力學性能和更高的結構強度。研究人員可以優化定子和轉子的結構，減少材料的使用，同時保證機械強度和耐久性。熱管理優化則需要關注于電機內部的散熱設計，確保電機在運行過程中能有效地散發熱量，防止過熱影響性能和壽命，這通常涉及對散熱通道的設計，以及使用高熱導率材料來改善熱傳導效率。熱管理可以通過以下熱阻公式進行初步評估：

[Rt?ermal=ΔTP] （2）

式中，ΔT為溫差；P為電機產生的熱功率，通過減少熱阻，研究人員可以更有效地傳導和散發熱量，從而保持電機在較低的溫度下運行。

4.2 驅動拓撲優化

在PMSM的開發中，除了對電機本身的結構進行優化之外，其配套的驅動拓撲優化也是提升整體系統性能的關鍵，驅動系統的設計影響電機的效率和響應速度，還直接關系到能耗和系統的可靠性。

驅動拓撲的優化首先涉及合適的功率電子器件（如IGBT、MOSFET等）的選擇，這些器件必須能夠適應電機操作時的高電壓和電流需求，研究人員在選擇器件時不僅要考慮其電壓和電流承受能力，還需評估其開關頻率、導通和關斷損耗，以及熱性能，對于PMSM，驅動器通常采用三相逆變器的配置，其通過精確控制每個相的電壓和電流來驅動電機。逆變器的拓撲結構對系統效率有顯著影響，常見的如全橋、半橋和多電平逆變器等。逆變器的基本電壓方程可以表示為：

[Vout=Vdc2×（modulation index）] （3）

式中，[Vout]為輸出電壓；[Vdc]為直流側電壓；modulation index是調制指數，其值取決于所用調制技術和控制策略，優化這些參數可以有效減少逆變器的開關損耗和提高電能轉換效率。

驅動拓撲優化的另一個關鍵方面是控制策略的優化，有效的控制策略可以顯著提高電機的動態響應和穩定性，減少扭矩波動和提高控制精度。常用的控制策略包括矢量控制和直接轉矩控制（DTC），這些策略需要精確調整以適應特定的驅動拓撲和電機參數。另外，采用先進的調制技術，如空間矢量調制（SVM），可以進一步優化驅動信號，減少諧波干擾和開關損耗。調制技術的選擇直接影響到逆變器的開關頻率和效率，因此，優化調制策略是驅動拓撲優化中不可忽視的一環，調制過程可以通過以下公式進行初步描述：

[S=8π2sin（x）dx] （4）

式中，S為調制信號；sin（x）是基于逆變器相位角的正弦函數，通過積分我們可以得到調制信號的平均功率輸出。研究人員通過優化調制算法，可以最大化輸出功率和效率，同時減少電磁干擾。

通過上述的功率電子器件配置優化和控制策略及調制技術的細致調整，研究人員可以顯著提高PMSM系統的整體性能和效率，這些優化措施確保電機驅動系統不僅能夠提供所需的動力和速度，還能在整個使用壽命中保持高效和可靠的運行。

4.3 軸向集成設計優化與驅動拓撲優化耦合

軸向集成設計優化與驅動拓撲優化的耦合分析需要綜合考慮電機結構的物理特性與電驅動系統的交互作用，從而達到最優的性能輸出。軸向集成設計優化通常聚焦于電機內部結構的優化，包括磁路設計、永磁材料的布局以及冷卻系統的配置。驅動拓撲優化則側重于逆變器的電路設計和控制策略的優化。耦合分析的目的是確保這兩部分的設計能夠互補，共同提升系統的整體性能。在進行耦合分析時，研究人員通常采用多物理場仿真工具，如有限元分析（FEA）軟件，來模擬和分析電機在不同驅動條件下的電磁、熱和力學行為，通過這些分析，可以得到以下基本關系式：

[τ=32Pλiq?φrid] （5）

式中，[τ]為電機的輸出扭矩；P為極對數；[λ]為永磁鏈；[iq]和[id]分別為q軸和d軸的電流，是轉子永磁體的磁鏈。研究人員通過這些參數，可以優化電機的磁路設計以及相應的驅動策略，以實現最佳的扭矩輸出和最低的能耗。

在實際應用中，耦合分析還可以指導電機和驅動系統的同步開發，優化設計參數以適應特定的應用需求，研究人員通過調整磁路設計來匹配逆變器的開關頻率，可以減少電磁干擾并提高能效。同時，優化永磁材料的布局和冷卻系統設計可以降低運行時的溫升，延長電機壽命，而通過實時調整驅動策略（如改變調制深度或調整相位電流分布），可以在不同負載條件下保持電機運行的最優狀態。耦合分析還包括對以下高級控制策略的評估：

[Vs=V2d+V2q] （6）

式中，[Vs]為施加到電機上的總電壓；[Vd]和[Vq]分別為d軸和q軸的電壓分量，優化這些電壓分量可以更精確地控制電機的速度和位置，從而提高動態響應和運行效率。

研究人員通過上述耦合分析，可以使軸向集成設計優化與驅動拓撲優化實現更好的協同效果，在提高電機的性能和效率的同時，還增強了系統的可靠性和耐用性，滿足現代應用對高性能電機的需求。

5 結語

本文分析了PMSM的應用現狀及面臨的挑戰，提出了一種創新的軸向集成設計優化與驅動拓撲優化相結合的方法。這種全新的協同優化方法不僅能夠降低電磁噪聲、控制溫升、提高功率密度、簡化整體結構，還能夠構建一種高度集成、高效節能、結構緊湊、可靠性高的PMSM系統解決方案。該方案將為電機技術在新能源汽車、工業自動化等領域的推廣應用提供有力支撐，推動PMSM產業的持續創新發展。未來，隨著新型永磁材料、先進制造工藝和智能化控制技術的不斷突破，PMSM的性能必將得到進一步優化和提升，在實現節能減排、促進可持續發展的進程中發揮越來越重要的作用。

參考文獻：

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[4]王維振，王迎波，陳國濤，等.永磁同步電機多工況溫升研究[J].時代汽車，2024（12）：152-156.

作者簡介：

曹明源，男，1988年，高級技師，研究方向為新能源汽車相關技術。