李新華,劉光華,崔舜宇,馬霽旻

(湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068)

電動(dòng)汽車混合永磁輔助磁阻同步電機(jī)研究

李新華,劉光華,崔舜宇,馬霽旻

(湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068)

摘 要：針對(duì)鐵氧體永磁輔助式同步磁阻電機(jī)可能出現(xiàn)的不可逆退磁問題，研究了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用鐵氧體和釹鐵硼混合永磁輔助磁阻同步電機(jī)。用有限元方法研究了混合永磁輔助磁阻同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，包括磁鋼槽形狀和相關(guān)尺寸的優(yōu)化，重點(diǎn)研究電機(jī)峰值工況下鐵氧體的不可逆退磁問題，并與其他電機(jī)做了比較分析。研究結(jié)果表明，混合永磁電機(jī)與鐵氧體電機(jī)成本接近，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率小，并較好地解決了鐵氧體永磁材料的不可逆退磁問題。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;混合永磁輔助磁阻同步電機(jī);轉(zhuǎn)子優(yōu)化;轉(zhuǎn)矩能力;不可逆退磁

0 引 言

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用鐵氧體永磁輔助式同步磁阻電機(jī)(以下簡稱鐵氧體電機(jī))因其性價(jià)比高、熱穩(wěn)定性好、調(diào)速范圍寬以及沒有過壓風(fēng)險(xiǎn)，引起了人們的關(guān)注[1-3]。然而由于鐵氧體永磁材料內(nèi)稟矯頑力不高，鐵氧體電機(jī)抗電樞反應(yīng)能力較低，加上電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)存在過載工況，在大電樞電流下可能出現(xiàn)不可逆退磁風(fēng)險(xiǎn)[4-9]。

近年來國外許多學(xué)者對(duì)鐵氧體電機(jī)的退磁問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7]研究了鐵氧體電機(jī)三層“U”字形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在2.2倍過載電流時(shí),磁鋼發(fā)生了少量不可逆退磁，3倍過載時(shí)退磁區(qū)域占磁鋼充磁表面積的10%。文獻(xiàn)[8]研究了鐵氧體電機(jī)三層“月”字形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的退磁情況，分析了磁鋼不同充磁方向厚度、弧長以及隔磁結(jié)構(gòu)形狀等參數(shù)對(duì)去磁能力的影響，但在2.5倍過載時(shí)，磁鋼發(fā)生了不可逆退磁，3倍過載時(shí)退磁區(qū)域達(dá)到8 %。文獻(xiàn)[9]研究了鐵氧體電機(jī)僅在d軸放置磁鋼的四層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在提高鐵氧體永磁材料性能參數(shù)(采用高牌號(hào)磁鋼)時(shí)才可以避免鐵氧體出現(xiàn)退磁。文獻(xiàn)[10]研究了一種采用鐵氧體和釹鐵硼混合永磁結(jié)構(gòu)的同步電機(jī)，提出了一種避免不可逆退磁現(xiàn)象發(fā)生的方法，但是釹鐵硼用量較多，性價(jià)比不高。文獻(xiàn)[11]討論了兩層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的混合永磁同步電機(jī)，即“一”字形和“月”字形結(jié)構(gòu)，該電機(jī)釹鐵硼用量明顯小于文獻(xiàn)[10]，但沒有討論峰值工況下鐵氧體的退磁問題。

針對(duì)鐵氧體電機(jī)可能出現(xiàn)的不可逆退磁問題，本文研究了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用60 kW鐵氧體和釹鐵硼混合永磁輔助磁阻同步電機(jī)(以下簡稱混合永磁電機(jī))。采用有限元方法研究了混合永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，包括磁鋼槽形狀和相關(guān)尺寸及優(yōu)化，重點(diǎn)研究電機(jī)峰值工況下鐵氧體的不可逆退磁問題，并與其他電機(jī)做了比較。研究結(jié)果表明，混合永磁電機(jī)與鐵氧體電機(jī)成本接近，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率小，并較好地解決了鐵氧體永磁材料的不可逆退磁問題。

1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

本文研究的60 kW混合永磁電機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 混合永磁電機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)

與鐵氧體電機(jī)相同，混合永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力、磁鋼用量以及可逆退磁等密切相關(guān)。下面討論2種典型的混合永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，一種是上層“一”字形釹鐵硼磁鋼，下層“月”字形鐵氧體磁鋼(以下簡稱“月”形槽電機(jī))；另一種是上層“一”字形釹鐵硼磁鋼，下層“U”字形鐵氧體磁鋼槽(以下簡稱“U”形槽電機(jī))。圖1是2種混合永磁電機(jī)的仿真模型，表2為2種混合永磁電機(jī)的仿真結(jié)果。

(a) “月”形槽電機(jī)

(b) “U”形槽電機(jī)

“月”形槽電機(jī)“U”形槽電機(jī)空載磁場(chǎng)基波幅值B/T0.480.55畸變率THD/%39.028.5空載電動(dòng)勢(shì)基波有效值u/V83.695.0畸變率THD/%21.516.3額定工況電流i/A132132轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率ΔT/%6.78.5峰值工況電流i/A302298轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率ΔT/%5.46.3磁阻轉(zhuǎn)矩占比KT/%65.358.1

從表2可以看出，2種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)混合永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能力相當(dāng)，但“月”形槽電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率和磁阻轉(zhuǎn)矩占比略好于“U”形槽電機(jī)。下面重點(diǎn)討論2種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)混合永磁電機(jī)峰值工況鐵氧體磁鋼的退磁問題。圖2是2種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)混合永磁電機(jī)磁場(chǎng)仿真云圖，圖3是FB9B牌號(hào)鐵氧體的退磁曲線，圖4是磁鋼退磁率與電流過載倍數(shù)之間的關(guān)系曲線。

(a) “月”形槽電機(jī)

(b) “U”形槽電機(jī)

圖3 FB9B牌號(hào)鐵氧體的退磁曲線

圖4 退磁率與電流過載倍數(shù)關(guān)系曲線

圖3中,FB9B牌號(hào)鐵氧體低溫-60 ℃和-20 ℃時(shí)的退磁曲線在第二象限出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)，電動(dòng)汽車用混合永磁電機(jī)通常要考察-20 ℃時(shí)鐵氧體磁鋼的不可逆退磁。FB9B在-20 ℃時(shí)退磁轉(zhuǎn)折點(diǎn)為0.087 T，磁密云圖最大磁密設(shè)置為0.087 T時(shí)磁鋼非灰色區(qū)域?yàn)橥舜艆^(qū)域?？梢娫趫D2(a)中鐵氧體退磁區(qū)域較小，而在圖2(b)中鐵氧體則沒有發(fā)生退磁。若電機(jī)出現(xiàn)3倍過載電流時(shí)，“U”形槽電機(jī)鐵氧體退磁區(qū)域占55%，而“月”形槽電機(jī)僅有1.2%。綜合轉(zhuǎn)矩性能和磁鋼安全考慮，“月”形槽電機(jī)是電動(dòng)汽車混合永磁電機(jī)一個(gè)較好的選擇。

2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是指磁鋼尺寸和在鐵心中位置的優(yōu)化。優(yōu)化的原則和目標(biāo)是在保證磁鋼安全的前提下減小磁鋼用量，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率。

圖5是轉(zhuǎn)子槽內(nèi)磁鋼和位置尺寸示意圖。上層槽內(nèi)為釹鐵硼，徑向充磁方向厚度為H1，切向?qū)挾葹閃1，與轉(zhuǎn)子外圓的距離為D1；下層槽內(nèi)為鐵氧體，徑向充磁方向最大厚度為H2。優(yōu)化過程中當(dāng)討論H1變化對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率和峰值電流影響時(shí)，其他變量一定，其余類似。磁鋼和位置尺寸優(yōu)化關(guān)系曲線如圖6所示。優(yōu)化過程中要保證磁鋼不發(fā)生不可逆退磁現(xiàn)象。

圖5 磁鋼和位置尺寸

由圖6(a)可以看出，釹鐵硼磁鋼厚度增加，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率上升，其原因是隨著磁鋼厚度的增加，磁阻也增加，齒槽轉(zhuǎn)矩變大所致。從圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)可知，當(dāng)W1，H2和D1為某一個(gè)值時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率較低，如釹鐵硼切向?qū)挾萕1=22 mm，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率最低。綜合考慮制造成本與電機(jī)性能，轉(zhuǎn)子優(yōu)化前后尺寸及性能如表3所示。優(yōu)化后比優(yōu)化前釹鐵硼磁鋼用量減少了25%，鐵氧體磁鋼用量不變，且由于釹鐵硼磁鋼用量的減少，峰值電流有所增加，但幅度不大；額定和峰值轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率略有減少。

(a) 釹鐵硼磁鋼徑向厚度

(b) 釹鐵硼磁鋼切向?qū)挾?/p>

(c) 鐵氧體磁鋼徑向厚度

(d) 釹鐵硼磁鋼深度

優(yōu)化前優(yōu)化后額定工況峰值電流i/A132134轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率ΔT/%6.76.4峰值工況峰值電流i/A302309轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率ΔT/%5.44.1釹鐵硼H1/mm43W1/mm2222D1/mm54鐵氧體H2/mm1212

3 比較分析

下面將混合永磁電機(jī)與鐵氧體電機(jī)、少釹鐵硼電機(jī)就性價(jià)比方面進(jìn)行比較。少釹鐵硼電機(jī)實(shí)際上是一種采用釹鐵硼永磁材料的永磁輔助式磁阻同步電機(jī)，這種電機(jī)既避免了鐵氧體電機(jī)可能出現(xiàn)的退磁風(fēng)險(xiǎn)，又減小了磁鋼用量，比內(nèi)置式釹鐵硼永磁同步電機(jī)性價(jià)比有所提高，寶馬i3、豐田普銳斯所采用的新一代驅(qū)動(dòng)電機(jī)便是少釹鐵硼電機(jī)。

為了便于比較，分別設(shè)計(jì)了混合永磁電機(jī)、鐵氧體電機(jī)和少釹鐵硼電機(jī)3種 60 kW電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，極槽配合都選擇6極45槽，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7(b)的少釹鐵硼電機(jī)也算是一種多層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過提高磁阻轉(zhuǎn)矩來降低釹鐵硼磁鋼用量，這里采用寶馬i3轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。3種永磁電機(jī)的性能仿真結(jié)果和成本估算如表4所示。

(a) 鐵氧體電機(jī)

(b) 少釹鐵硼電機(jī)

(c) 混合永磁電機(jī)

參數(shù)鐵氧體電機(jī)少釹鐵硼電機(jī)混合永磁電機(jī)鐵心軸向長l/mm315290290額定工況峰值電流i/A132132132轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率ΔT/%8.09.86.4鐵心損耗pFe/kW0.380.330.37銅耗pCu/kW1.431.351.35效率η/%97.097.397.2峰值工況峰值電流i/A292301309轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率ΔT/%8.110.64.1磁阻轉(zhuǎn)矩占比KT/%72.150.164.7峰值退磁占比Kp/%第二層19.400鐵心損耗pFe/kW0.460.410.46銅耗pCu/kW6.987.017.39效率η/%94.294.293.9材料質(zhì)量m/kg定轉(zhuǎn)子鐵心158.4145.8145.8漆包線212020釹鐵硼03.50.9鐵氧體8.906.2估計(jì)材料成本/元定轉(zhuǎn)子鐵心951875875漆包線1 0501 0001 000釹鐵硼01 750450鐵氧體7120496估計(jì)總成本2 7133 6252 821

由表4可以發(fā)現(xiàn)，少釹鐵硼電機(jī)和混合永磁電機(jī)鐵心軸向長度相同，鐵氧體電機(jī)略有增加；3種電機(jī)的額定效率都可以達(dá)到97%，但混合永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率是最低的，鐵氧體電機(jī)次之，少釹鐵硼電機(jī)最大；少釹鐵硼電機(jī)和混合永磁電機(jī)都沒有出現(xiàn)不可逆退磁現(xiàn)象，而鐵氧體電機(jī)在峰值情況下鐵氧體發(fā)生了不可逆退磁，退磁率達(dá)19.4%，這表明鐵氧體電機(jī)需要使用更高牌號(hào)的磁鋼才可以避免峰值工況下發(fā)生不可逆退磁。

另一方面，少釹鐵硼電機(jī)有效材料成本最高，混合永磁電機(jī)和鐵氧體電機(jī)相差不大,但鐵氧體電機(jī)為多層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，在工藝上比單層或雙層更加復(fù)雜，

制造成本會(huì)更高，并且為了解決鐵氧體不可逆退磁問題會(huì)用到更高牌號(hào)的鐵氧體，增加材料成本。因此綜合電機(jī)性能和成本考量，混合永磁電機(jī)還是具有一定的競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)的。

4 結(jié) 語

1) 混合永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼尺寸、形狀和布局對(duì)轉(zhuǎn)矩能力、性能以及磁鋼安全性密切相關(guān)?！霸隆毙尾垭姍C(jī)雖然在峰值電流上略大于“U”形槽電機(jī)，但其抗不可逆退磁能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率低，磁阻轉(zhuǎn)矩利用率高，整體要優(yōu)于“U”形槽電機(jī)。

2) 與少釹鐵硼電機(jī)和鐵氧體電機(jī)相比，混合永磁電機(jī)不僅能避免鐵氧體發(fā)生不可逆退磁，而且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)率和材料成本也較低，在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用電機(jī)中具有一定的競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)。

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ResearchonHybridPermanentMagnetAssistedSynchronousReluctanceMotorforElectricVehicle

LIXin-hua,LIUGuang-hua,CUIShun-yu,MAJi-min

(Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)

Abstract:In view of the possible irreversible demagnetization problem of ferrite permanent magnet-assisted synchronous reluctance motor, ferrite and NdFeB hybrid permanent magnet assisted synchronous reluctance for electric vehicle was studied. The rotor structure of hybrid permanent magnet assisted synchronous reluctance motor was discussed by finite element method, including the optimization of the shape and the relative size of the magnetic steel groove, irreversible demagnetization of ferrite under the peak condition was studied and made the comparative analysis with other motors. The results show that the cost of the hybrid permanent magnet motor was closed to that of the ferrite, but the torque ripple rate was low, and the irreversible demagnetization problem of the ferrite permanent magnet material is well solved.

Key words：electric vehicles; hybrid permanent magnet assisted synchronous reluctance motors; rotor optimization; torque capability; irreversible demagnetization

中圖分類號(hào)：TM351；TM352

A

1004-7018(2018)05-0006-03

2017-08-23