崔 剛，宋志環(huán)，熊 斌

(1.中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190；2．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100149；3.華域汽車電動(dòng)系統(tǒng)有限公司，上海 201323)

0 引 言

近年來(lái)，隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)清潔能源應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注的持續(xù)增溫，電動(dòng)汽車行業(yè)也得到了快速發(fā)展。根據(jù)2012年國(guó)務(wù)院發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出，到2020年，我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化將達(dá)到世界領(lǐng)先水平，新能源汽車保有量將達(dá)到500萬(wàn)輛[1]。

當(dāng)前，電動(dòng)汽車主驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般使用永磁同步電機(jī)，少量汽車采用感應(yīng)電機(jī)。其原因主要是永磁電機(jī)具有高功率密度、寬負(fù)載率下高效率等優(yōu)點(diǎn)，但永磁電機(jī)成本較高，釹鐵硼材料存在高溫退磁風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題，一直是學(xué)術(shù)界及汽車行業(yè)努力解決的方向。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者開展了提升電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩比例，使用鐵氧體等磁材來(lái)降低電機(jī)成本等相關(guān)的研究。其中，德國(guó)、日本等國(guó)家的學(xué)者自20世紀(jì)90年代開始對(duì)永磁磁阻電機(jī)開展了相關(guān)研究,但單純使用鐵氧體設(shè)計(jì)永磁輔助電機(jī)，電機(jī)的功率密度難以達(dá)到當(dāng)前汽車行業(yè)使用的標(biāo)準(zhǔn)[2-4]。

文獻(xiàn)[5]研究了使用鐵氧體和釹鐵硼的混合式永磁輔助磁阻電機(jī)不可逆退磁問(wèn)題，通過(guò)對(duì)磁障形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該類型電機(jī)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以較好地解決鐵氧體不可逆退磁問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]研究了不同極槽配合、繞組形式的永磁輔助式電機(jī)降低齒槽轉(zhuǎn)矩的方法。文獻(xiàn)[7]研究發(fā)現(xiàn)，采用交軸轉(zhuǎn)子導(dǎo)條及直軸永磁體結(jié)構(gòu)可以大幅度降低永磁體不可逆退磁風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[8]研究了“V”+“一”和雙“一”的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)釹鐵硼永磁磁阻電機(jī)性能的影響，得出結(jié)論，適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)子空氣槽設(shè)計(jì)可以顯著提高磁阻轉(zhuǎn)矩利用率。文獻(xiàn)[9]通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)永磁輔助磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁障結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)矩質(zhì)量設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[10]根據(jù)同步磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，研究了轉(zhuǎn)子磁障結(jié)構(gòu)對(duì)磁阻轉(zhuǎn)矩的影響，然后在磁障中插入永磁體，研究了電機(jī)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[11]研究了轉(zhuǎn)子分層對(duì)電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩利用率的影響。

本文以一臺(tái)實(shí)際使用的電動(dòng)汽車用52 kW永磁同步電機(jī)為研究目標(biāo)，針對(duì)由鐵氧體和釹鐵硼兩種永磁材料組成的混合式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)開展了相關(guān)研究。采用有限元方法，側(cè)重對(duì)比分析了“U”形、“C”形磁障結(jié)構(gòu)下，不同磁障結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能力的影響。結(jié)合電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能要求，對(duì)比“C”+“一”、“C”+“V”等形式的磁路結(jié)構(gòu)，得出雙層“C”+“V”形式的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，混合使用鐵氧體和釹鐵硼兩種磁材，可以在基本滿足當(dāng)前汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用要求的情況下，明顯降低電機(jī)成本。

1 磁阻轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)性能的影響分析

通過(guò)電機(jī)學(xué)的原理性分析，可得到永磁同步電機(jī)在d,q,o坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式[12]：

Tem=pψfiq+p(Ld-Lq)idiq

(1)

由式(1)可見，永磁同步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有兩個(gè)分量:第一個(gè)分量是電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩Tm，表征了電機(jī)永磁體勵(lì)磁磁鏈所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；第二個(gè)分量為電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩Tr，表征了因電機(jī)交直軸磁路結(jié)構(gòu)不對(duì)稱所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

對(duì)于永磁磁阻電機(jī)，增加多層磁障后，電機(jī)交直軸的磁阻將隨之改變，也就是電機(jī)的凸極率隨之改變，進(jìn)而影響電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩占比。需要注意的是當(dāng)交直軸電感的差值改變，而不是單純?cè)黾又陛S電感或者減少交軸電感時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩值才會(huì)改變。而電機(jī)的功率因數(shù)也將隨著交軸電感與直軸電感比值的增大而增大。

由式(1)的分析還可知，在保證電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變的情況下，如果通過(guò)改變電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)，來(lái)提升電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩的比例，可以相應(yīng)地降低永磁轉(zhuǎn)矩的比例，即減少電機(jī)永磁體用量。在保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度不變的情況下，減少永磁體用量，提升磁阻轉(zhuǎn)矩在總輸出轉(zhuǎn)矩中的占比，并確保電機(jī)性能及退磁特性滿足電動(dòng)汽車使用要求，即為本文研究的目標(biāo)。

圖1展示了永磁磁阻電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)。磁障類似于常規(guī)永磁電機(jī)的磁鋼槽，永磁體置于磁障之中，為提高磁阻轉(zhuǎn)矩的利用率，同步磁阻電機(jī)的磁障一般設(shè)計(jì)為多層結(jié)構(gòu)。本文定義靠近氣隙的磁障為第一層磁障，磁障徑向?qū)挾萕為磁障寬度，為簡(jiǎn)化分析，本文設(shè)定每層磁障的寬度一致，由一層至三層的磁障寬度分別為W1，W2，W3。定義兩層磁障之間硅鋼片區(qū)域?yàn)榇耪祥g隔，其寬度為磁障間隔寬度，每層磁障間隔寬度一致，由一層磁障至三層磁障之間分別為H1，H2。定義轉(zhuǎn)子圓心到磁障中間段下沿的距離為磁障深度D，由一層到三層的磁障深度分別為D1，D2，D3。

圖1 永磁磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 磁障形狀及層數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響

本文以一臺(tái)52 kW電動(dòng)汽車用混合式永磁同步電機(jī)為研究目標(biāo)，電機(jī)的基本參數(shù)如表1、表2所示。

表2 電機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 磁障形狀的影響分析

以前述52 kW樣機(jī)為例，在電機(jī)定轉(zhuǎn)子直徑及其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，根據(jù)同步磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，研究電機(jī)磁障結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩能力的影響。在此基礎(chǔ)上，在磁障中插入永磁體，研究此時(shí)永磁電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩能力，進(jìn)而總結(jié)相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)律。目前，國(guó)內(nèi)的乘用車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率主要集中在50～150 kW之間，轉(zhuǎn)速集中在10 000～16 000 r/min之間，電機(jī)的定子外徑尺寸主要集中在180～220 mm之間。因此，磁障層數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)是對(duì)磁阻轉(zhuǎn)矩比例影響較大的因素，但需要注意的是，改變電機(jī)磁障層數(shù)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也可能隨之改變。在實(shí)際電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需關(guān)注最高轉(zhuǎn)速下，電機(jī)強(qiáng)度是否滿足工作要求，因篇幅所限，本文不展示強(qiáng)度的校核計(jì)算結(jié)果。

結(jié)合同步磁阻電機(jī)的研究成果分析可知，對(duì)于中小型永磁磁阻電機(jī)，其轉(zhuǎn)子磁障層數(shù)為二層或三層較為合理[10]。如果繼續(xù)增加磁障層數(shù)，一方面電機(jī)加工工藝難度增加；另一方面因磁路飽和程度加劇，磁體的利用率將下降，對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩提升的輔助作用有限。如果減少為單層磁障，與普通永磁電機(jī)相似，很難大幅度提升電機(jī)的凸極性，進(jìn)而較好地利用電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩。因此，本文以二層及三層磁障結(jié)構(gòu)為例，對(duì)電機(jī)磁障結(jié)構(gòu)開展分析研究，總結(jié)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)相同體積下，電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩能力的影響程度，進(jìn)而得到相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。

對(duì)于同步磁阻電機(jī)而言，較為常見的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)可分為“C”形磁路結(jié)構(gòu)和“U”形磁路結(jié)構(gòu)兩大類別。本文利用同步磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，在保證“C”形和“U”形磁障結(jié)構(gòu)的極弧系數(shù)、磁障深度、磁障寬度等參數(shù)一致的前提下，優(yōu)化兩個(gè)方案的輸出轉(zhuǎn)矩，兩者輸出同樣的轉(zhuǎn)矩時(shí)，考察兩者的磁密分布。

三層磁障的永磁同步磁阻電機(jī)，磁障中不插入永磁體時(shí)可視為同步磁阻電機(jī)來(lái)進(jìn)行分析，其“U”形與“C”形磁障結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)子磁密分布如圖2所示。

(a) “U”形磁障結(jié)構(gòu)

(b) “U”形磁障結(jié)構(gòu)圖2 轉(zhuǎn)子磁密分布

由兩種結(jié)構(gòu)的磁密分布分析可見，兩種方案下，轉(zhuǎn)子磁密分布狀況接近，“U”形磁障結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子磁密飽和程度略高，“C”形磁障結(jié)構(gòu)下，磁障間隔內(nèi)硅鋼片的磁密分布均勻性略好，具備插入永磁體后進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)及提升轉(zhuǎn)矩密度的潛力。另外，“C”形磁障與“U”形磁障相比，在磁障深度、極弧系數(shù)一致時(shí)，可插入更多的永磁體，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)磁障形狀，調(diào)整交直軸磁路面積來(lái)充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而提升電機(jī)的功率密度。

在磁障中插入永磁體后，通過(guò)分析可知，當(dāng)電機(jī)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變時(shí)，為了安裝同樣的磁體，“U”形磁障將增大，磁障之間的局部飽和程度將進(jìn)一步增加，其產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩的能力提升空間有限。因此，本文將針對(duì)“C”形結(jié)構(gòu)的永磁磁阻電機(jī)的首選方案開展進(jìn)一步設(shè)計(jì)研究。

2.2 轉(zhuǎn)子磁障結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響分析

當(dāng)單純提升電機(jī)磁障層數(shù)時(shí)(磁障中不插入永磁體)，電機(jī)交直軸磁路面積都受到影響。前述結(jié)構(gòu)中，直軸磁阻所受影響更為顯著，電機(jī)直軸電感將隨之改變，而此時(shí)電機(jī)沒有永磁體勵(lì)磁，在輸出相同轉(zhuǎn)矩情況下，磁阻轉(zhuǎn)矩占比將隨之增加，但考慮到磁路飽和效應(yīng)等因素影響，電機(jī)存在輸出轉(zhuǎn)矩的上限，即電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度達(dá)到一定數(shù)值后將無(wú)法提升。此時(shí)，可考慮在電機(jī)磁障中插入永磁體來(lái)提升電機(jī)勵(lì)磁能力，也就是提升電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩，以增加電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。

以52 kW樣機(jī)，三層“C”形磁障結(jié)構(gòu)為例，首先磁障中不插入永磁體時(shí)，即使用同步磁阻電機(jī)的分析方法。當(dāng)磁障層數(shù)、磁障間隔寬度及電機(jī)極弧系數(shù)不變時(shí)，考核磁障深度D對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響，當(dāng)磁障深度D由初始值位置向靠近圓心方向移動(dòng)，D減小，為便于直觀考核D的影響，以D的變化值為衡量指標(biāo)，本算例中，設(shè)置D的變化值范圍為0.6～1.2 mm，電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩隨D變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩隨磁障深度變化圖

由以上計(jì)算結(jié)果可見，隨著磁障深度增大，磁障逐漸向轉(zhuǎn)子圓心方向移動(dòng)，電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩逐漸減小，并且存在一個(gè)拐點(diǎn)使轉(zhuǎn)矩明顯降低，此時(shí)，轉(zhuǎn)矩的變化區(qū)間約為12.8 N·m。

分析樣機(jī)磁路結(jié)構(gòu)特征可知，磁障中不插入永磁體時(shí)，磁障深度減小，因直軸磁路面積相對(duì)較小，其受影響更顯著，直軸磁阻將增大，而交軸磁路變化相對(duì)較小，交直軸電感差值將增大，電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩將增大，拐點(diǎn)的產(chǎn)生則與磁路的飽和情況有關(guān)。

在此基礎(chǔ)上，磁障中插入永磁體，在保證永磁體用量不變的條件下，電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩隨磁障深度變化值的改變規(guī)律，如圖4所示。

圖4 電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩隨磁障深度變化圖

由圖4可見，此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律與磁障中不插入永磁體時(shí)基本一致，但由于永磁轉(zhuǎn)矩的影響，降低了磁阻轉(zhuǎn)矩在總轉(zhuǎn)矩中的占比，此時(shí)轉(zhuǎn)矩的變化區(qū)間約為15.9 N·m。

同樣，當(dāng)磁障中不插入永磁體，磁障層數(shù)、磁障深度不變的情況下，考核磁障間隔寬度H對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響。即考核電機(jī)磁障寬度與磁障間隔寬度比例關(guān)系對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響，此時(shí)，電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩隨H的變化，如圖5所示。

圖5 電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩隨磁障間隔寬度變化圖

由以上計(jì)算結(jié)果可見，隨著磁障間隔寬度的增大，電機(jī)直軸磁路變寬，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩先增大，但隨著其進(jìn)一步加大，交軸寬度也增大，交直軸電感差值變小，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩減小。因此，存在最優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)使輸出轉(zhuǎn)矩最大。此時(shí)，轉(zhuǎn)矩的變化區(qū)間約為1.25 N·m，這是因?yàn)闉樘嵘姍C(jī)功率密度，轉(zhuǎn)子磁路接近飽和，調(diào)整磁障間隔寬度對(duì)磁路的影響已經(jīng)相對(duì)較小。

在此基礎(chǔ)上，磁障中插入永磁體，在保證永磁體用量不變條件下，電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩隨磁障間隔改變規(guī)律，如圖6所示。

圖6 電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩隨磁障間隔寬度變化圖

由圖6可見，此時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律與磁障中不插入永磁體時(shí)基本一致，隨著磁障間隔寬度的增大，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩仍呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，即設(shè)計(jì)中，存在最優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)。與無(wú)永磁體狀態(tài)對(duì)比可見，過(guò)最優(yōu)點(diǎn)后，最大轉(zhuǎn)矩的下降趨緩，此時(shí)轉(zhuǎn)矩的變化區(qū)間約為2.9 N·m。由此可認(rèn)為，磁障與磁障寬度存在一個(gè)最優(yōu)值或最優(yōu)區(qū)間，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較大，但該因素對(duì)轉(zhuǎn)矩的總體影響有限。

除此之外，電機(jī)磁障的極弧系數(shù)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩也有著較為明顯的影響。在永磁體長(zhǎng)度隨之改變的情況下，極弧系數(shù)增大，永磁體用量增多，電機(jī)永磁轉(zhuǎn)矩則明顯增大，電機(jī)的總輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)而增大。因其結(jié)論與同步磁阻電機(jī)一致，在此不做贅述。

由以上分析可得到結(jié)論：

1) 考慮到車用永磁電機(jī)的應(yīng)用需求，“C”形磁障結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的磁密分布均勻并且易于插入更多的磁體，有利于提升電機(jī)的功率密度，在滿足加工要求條件下可優(yōu)先考慮使用；

2) 磁障中插入永磁體后，磁障寬度與磁障間隔寬度比例對(duì)電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩有一定的影響，且存在最優(yōu)比例，使電機(jī)在相同永磁體用量下，輸出轉(zhuǎn)矩最大，考慮到磁路結(jié)構(gòu)的差異性，不同電機(jī)的最優(yōu)比例將有所差異，電機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合磁路飽和情況，在一定范圍內(nèi)進(jìn)行尋優(yōu)設(shè)計(jì)；

3) 磁障深度對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩有非常明顯的影響，且磁阻轉(zhuǎn)矩占比越大時(shí)，該影響也越明顯，電機(jī)設(shè)計(jì)中，應(yīng)予以重點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)；

4) 總輸出轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，如果永磁轉(zhuǎn)矩占比接近50%，則永磁體用量將成為對(duì)電機(jī)總輸出轉(zhuǎn)矩影響最大的因素，隨著永磁體用量的提升，磁障結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響將逐漸減小，永磁體的實(shí)際用量應(yīng)結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度要求進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)；

5) 混合式永磁同步電機(jī)中，釹鐵硼永磁體作為輔助提升功率密度的手段，一般僅在第一層磁障中少量使用，設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先調(diào)整磁障結(jié)構(gòu)參數(shù)，以提升磁阻轉(zhuǎn)矩占比。

3 混合式永磁同步電機(jī)不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)特性分析

開展永磁磁阻電機(jī)研究時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，單純使用鐵氧體永磁體勵(lì)磁時(shí)，電機(jī)存在轉(zhuǎn)矩密度很難達(dá)到當(dāng)前汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求的問(wèn)題，而且由于鐵氧體本身磁材特性，容易產(chǎn)生退磁現(xiàn)象。

因此，考慮開展混合式永磁磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)，即在永磁磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中，使用鐵氧體永磁體和釹鐵硼稀土永磁體兩種材料，提升電機(jī)永磁轉(zhuǎn)矩比例，進(jìn)而提升永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。同時(shí)，利用鐵氧體與釹鐵硼溫度系數(shù)相反的特性，提高該類電機(jī)高溫下的性能，降低退磁風(fēng)險(xiǎn)。

以常見的鐵氧體及釹鐵硼永磁體為例，兩者的性能數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 典型鐵氧體與釹鐵硼永磁體性能對(duì)比

考慮永磁體的加工工藝，鐵氧體永磁材料易加工成弧形結(jié)構(gòu)，而釹鐵硼稀土永磁材料則更適合加工為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。因此，混合式永磁磁阻電機(jī)更適合使用“C”+“V”結(jié)構(gòu)或“C”+“一”結(jié)構(gòu)。本文在所研制電機(jī)的首層磁障中添加釹鐵硼永磁體，為尋求使用最少永磁體，得到最大輸出轉(zhuǎn)矩的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了三層“C”+“一”形結(jié)構(gòu)、三層“C”+“V”形結(jié)構(gòu)及兩層“C”+“V”形結(jié)構(gòu)的混合式永磁磁阻電機(jī)，模型示意及計(jì)算結(jié)果如圖7所示。為降低電機(jī)制造成本，各層磁障內(nèi)部材料未做特殊說(shuō)明的均為鐵氧體磁材。

圖7 三層“C”+“一”形磁障結(jié)構(gòu)模型

圖8(a)～圖8(c)分別展示了在第一層磁障中添加空氣、鐵氧體、釹鐵硼時(shí)電機(jī)的磁密分布。圖8(d)為不同磁障填充材料對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩?？梢?，首層磁障中添加不同的材料時(shí)，雖然磁障面積很小，但對(duì)電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩仍然有較為明顯的影響，轉(zhuǎn)矩的變化范圍達(dá)到約11 N·m。因此，可考慮在第一層磁障中使用釹鐵硼永磁體來(lái)提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。

(a) 首層磁障為空氣的電機(jī)磁密分布

(b) 首層磁障插入鐵氧體的電機(jī)磁密分布

(c) 首層磁障插入釹鐵硼的電機(jī)磁密分布

(d) 不同類型首層磁障對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩圖8 三層“C”+“一”結(jié)構(gòu)，電機(jī)不同磁障填充材料磁密及輸出轉(zhuǎn)矩圖

另外，當(dāng)首層磁障由“C”形改為“一”形后，磁體用量下降較多，雖然釹鐵硼磁性能增加，但對(duì)整體輸出轉(zhuǎn)矩的提升有限。可見，在電機(jī)經(jīng)過(guò)初步優(yōu)化設(shè)計(jì)后，電機(jī)凸極性基本確定，此時(shí)，為提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，永磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)殡姍C(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵，隨著電機(jī)功率密度提高，永磁轉(zhuǎn)矩將逐漸起到關(guān)鍵作用。

為進(jìn)一步提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，考核提升釹鐵硼永磁體的用量，將首層磁障設(shè)計(jì)為“V”形，提升永磁體用量對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響?？紤]到高速下的應(yīng)力分布，將二三層磁障設(shè)計(jì)為分段結(jié)構(gòu)，電機(jī)模型及計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

(a) 三層“C”+“V”磁障結(jié)構(gòu)模型

(b) 電機(jī)磁密分布圖9 三層“C”+“一”磁障結(jié)構(gòu)，電機(jī)模型、磁密分布圖

此時(shí)的電機(jī)總輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后達(dá)到112.3 N·m，較原首層為“一”形結(jié)構(gòu)磁障有明顯提升，進(jìn)一步增加了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。

在此基礎(chǔ)上，為使電機(jī)的設(shè)計(jì)更為接近實(shí)際應(yīng)用要求，進(jìn)一步提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，考慮適當(dāng)增大永磁轉(zhuǎn)矩占比，當(dāng)提升首層釹鐵硼用量時(shí)，意味著磁障間隔處磁密飽和程度增加，為了更好地分配永磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩，縮減電機(jī)磁障層數(shù)為兩層；同時(shí)，在滿足使用要求下，適當(dāng)增加電機(jī)的鐵心長(zhǎng)度，將混合式永磁電機(jī)體積與原型機(jī)保持一致，電機(jī)的模型和計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

(a) 電機(jī)二層“C”+“V”形磁路結(jié)構(gòu)模型

(b) 電機(jī)磁密分布圖10 二層“C”+“V”磁障結(jié)構(gòu)，電機(jī)模型、磁密分布圖

最終，當(dāng)保持優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電機(jī)體積與原型機(jī)一致時(shí)，電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到162.6 N·m，電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩占比約為42.6%，已基本滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)需求。校核混合式永磁電機(jī)的退磁情況，需要考慮不同磁材的磁特性，要分別校核釹鐵硼材料的高溫退磁情況和鐵氧體材料的低溫退磁情況。本文校核了釹鐵硼永磁體160 ℃的高溫退磁情況，鐵氧體磁材-20 ℃的低溫退磁情況。經(jīng)計(jì)算，不同磁材的退磁特性如圖11、圖12所示。

圖11 釹鐵硼永磁體高溫退磁計(jì)算

圖12 鐵氧體永磁體低溫退磁計(jì)算 由以上計(jì)算可見，此時(shí)電機(jī)高溫及低溫均沒有明顯的退磁現(xiàn)象，可以滿足電機(jī)的基本使用。

由表4可見，相同輸出轉(zhuǎn)矩下，保持混合式永磁電機(jī)與原型機(jī)的體積、定子外徑、鐵心長(zhǎng)度等參數(shù)均一致的條件下，使用混合式永磁電機(jī)后，永磁體的價(jià)格將下降336.3元，下降比例達(dá)到56.5%。

表4 混合式永磁電機(jī)成本比較

4 結(jié) 語(yǔ)

本文首先研究了磁阻轉(zhuǎn)矩對(duì)永磁電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩影響，從原理上分析了調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)對(duì)改變磁阻轉(zhuǎn)矩占比，提升電機(jī)功率密度的可行性。針對(duì)“C”形及“U”形磁障結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)磁障形狀進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)二、三層磁障結(jié)構(gòu)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，“C”形磁障結(jié)構(gòu)更適合高功率密度設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)磁障深度、磁障寬度與磁障間隔寬度的研究，發(fā)現(xiàn)磁障深度對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩影響相對(duì)較大，磁障寬度及間隔寬度存在一個(gè)最優(yōu)區(qū)間，使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值。最后針對(duì)使用鐵氧體與釹鐵硼兩種永磁材料的混合式永磁電機(jī)，研究了“C”+“一”形三層磁障轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、“C”+“V”形三層磁障轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及“C”+“V”形兩層磁障轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特性，得出首層少量使用釹鐵硼，二層使用鐵氧體的“C”+“V”形兩層磁障轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)基本滿足當(dāng)前車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能及功率密度要求，兩種磁材的結(jié)合使電機(jī)退磁特性有所提升，也可以彌補(bǔ)單一鐵氧體磁材功率密度不足、單一釹鐵硼永磁體高溫性能下降明顯等問(wèn)題?；旌鲜接来烹姍C(jī)的使用也將顯著降低電機(jī)的制造成本。