陳 前 趙美玲 廖繼紅 劉國(guó)海 趙文祥

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212013)

1 引言

永磁電機(jī)因其高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度和高效率的優(yōu)勢(shì)，在交通運(yùn)輸、航空航天和國(guó)防軍工等高端領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，永磁電機(jī)性能指標(biāo)要求越來(lái)越接近極限，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩密度、功率密度和效率三者難以兼顧。因此，梳理高效率輕量化永磁電機(jī)及其控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并指出其潛在突破方法，具有重要意義。

提升功率密度是實(shí)現(xiàn)電機(jī)輕量化的重要途徑[4]，電機(jī)的功率密度與轉(zhuǎn)矩密度正相關(guān)。永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩由永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩兩部分組成。在永磁轉(zhuǎn)矩主導(dǎo)的電機(jī)中，可從永磁材料性能[5]、永磁體利用率[6-9]、多工作波協(xié)同調(diào)制[10-11]等方面提高轉(zhuǎn)矩密度。在磁阻轉(zhuǎn)矩占主導(dǎo)的電機(jī)中，常從電負(fù)荷、dq軸電感差異兩方面提升電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度。為了提升永磁電機(jī)的效率，需要從損耗產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)找到其有效抑制的方法。此外，高效率輕量化永磁電機(jī)的體積小、電磁負(fù)荷高。在運(yùn)行過(guò)程中，有限的散熱空間使得電機(jī)內(nèi)部溫度快速升高。過(guò)高的溫度會(huì)造成永磁體不可逆退磁，更會(huì)造成絕緣老化，發(fā)生開(kāi)路或短路故障，嚴(yán)重影響電機(jī)的可靠性[12]。因此精確進(jìn)行熱分析，合理設(shè)計(jì)電機(jī)內(nèi)部熱量分布，以及合適的冷卻方案是保證電機(jī)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的必要條件。

除了從電機(jī)本體設(shè)計(jì)上來(lái)實(shí)現(xiàn)高效率輕量化的目標(biāo)外，永磁電機(jī)控制系統(tǒng)也在朝著高效率方向發(fā)展[13]。最大轉(zhuǎn)矩電流比控制就是在輸出轉(zhuǎn)矩不變的情況下，通過(guò)利用磁阻轉(zhuǎn)矩使得電流最小化，從而減小電機(jī)銅耗[14-15]。此外，還可以采用最大效率電流比控制，從根本上保證電機(jī)運(yùn)行在效率最優(yōu)的工作點(diǎn)下。在控制系統(tǒng)中，除了定子銅耗，逆變器損耗占比較大，因此，降低逆變器損耗同樣具有重要意義。

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者在高效率輕量化永磁電機(jī)及其控制技術(shù)方面的研究成果。首先從永磁電機(jī)本體設(shè)計(jì)方面，探討了轉(zhuǎn)矩密度和高效率的設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，從熱分析和冷卻兩個(gè)角度分析和保障電機(jī)熱負(fù)荷的穩(wěn)定。然后，介紹了永磁電機(jī)的高效率控制策略。最后，探討和展望了該領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展方向。

2 輕量化永磁電機(jī)

輕量化永磁電機(jī)可以體現(xiàn)在相同工況下減小電機(jī)體積和質(zhì)量。另一方面，永磁電機(jī)的輕量化也可以表現(xiàn)為在相同體積和質(zhì)量的情況下提升電機(jī)的性能。影響電機(jī)功率密度的關(guān)鍵參數(shù)有磁負(fù)荷、電負(fù)荷和轉(zhuǎn)子速度，這三個(gè)參數(shù)數(shù)值上的增大能直接提高電機(jī)的輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)同等功率下的電機(jī)輕量化。因此，本節(jié)主要從磁負(fù)荷、電負(fù)荷和轉(zhuǎn)速三個(gè)方面分析提升電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度和功率密度的方法，進(jìn)而能在相同的體積和質(zhì)量的情況下實(shí)現(xiàn)更大的轉(zhuǎn)矩和功率輸出，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)。

2.1 高磁負(fù)荷永磁電機(jī)

2.1.1 磁材料的選擇

永磁材料性能直接決定電機(jī)磁負(fù)荷的高低。自1967 年第一塊YCo5 永磁體問(wèn)世，稀土永磁家族中1968 年出現(xiàn)了第一代1∶5 型釤鈷永磁體，1977 年出現(xiàn)了第二代2∶17 型釤鈷永磁體，1983 年又出現(xiàn)了第三代稀土永磁材料—釹鐵硼。釤鈷永磁體與釹鐵硼永磁體的性能對(duì)比如表1 所示。從表1 可以看出，釹鐵硼永磁體的磁能積、磁感應(yīng)強(qiáng)度均高于釤鈷永磁體，其在提升電機(jī)磁負(fù)荷方面具有優(yōu)勢(shì)。然而，與釹鐵硼永磁體相比，釤鈷永磁體的耐高溫能力遠(yuǎn)超釹鐵硼永磁體。因此，在高功率密度永磁電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)其熱負(fù)荷和運(yùn)行溫度選擇恰當(dāng)?shù)挠来挪牧稀?/p>

表1 兩種永磁體磁性能比較

2.1.2 永磁體形狀設(shè)計(jì)

永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其永磁體安裝方式多變，恰當(dāng)?shù)挠来朋w排布可提升電機(jī)的磁負(fù)荷。在永磁電機(jī)中，常用的永磁體安裝方式有表貼式、Halbach式、內(nèi)置式和輪輻式[16-18]。在這四種結(jié)構(gòu)中，Halbach式漏磁小，輪輻式有聚磁效應(yīng)，兩者能更高效利用永磁磁場(chǎng)。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，表2 列出了四種電機(jī)類型中所達(dá)到的功率密度水平及其效率水平。從表2 可以看出，表貼式電機(jī)和Halbach 式電機(jī)的功率密度和效率優(yōu)于另外兩類電機(jī)，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可應(yīng)用于船舶、多電飛機(jī)等領(lǐng)域。而內(nèi)置式永磁電機(jī)因其具有弱磁調(diào)速能力較好的優(yōu)勢(shì)，更多應(yīng)用于電動(dòng)汽車等領(lǐng)域[19]。除了永磁體排布，文獻(xiàn)[8]提出通過(guò)增加氣隙諧波利用率來(lái)提升電機(jī)基波磁密的諧波注削法。該方法的實(shí)現(xiàn)原理如圖1 所示，曲線l1表示氣隙磁密正弦基波，l4表示諧波注削后的氣隙磁密，l2和l3則分別表示諧波注削后的氣隙磁密的基波和三次諧波?？梢钥闯觯琹4是由l2和l3疊加而成。同時(shí)，l4和l1所形成的氣隙一樣。因此，在注入諧波后，電機(jī)的基波磁場(chǎng)得到增強(qiáng)，進(jìn)而得到更高的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。

圖1 諧波注削法

表2 各電機(jī)效率和功率密度

除了高效利用基波磁密和基波反電勢(shì)，文獻(xiàn)[9]通過(guò)改善雙三相永磁體形狀，增大反電勢(shì)中三次諧波成分，利用產(chǎn)生的三次反電動(dòng)勢(shì)以及注入的三次諧波電流有效地提高輸出轉(zhuǎn)矩?；诖嗽?，文獻(xiàn)[20]提出一個(gè)正弦型外加三次諧波組合而成的反電勢(shì)，背靠背放在一起形成蝴蝶型的永磁體形狀，以消除不平衡的軸向力。將所提出的蝴蝶型永磁體形狀的永磁電機(jī)和常規(guī)永磁體形狀的永磁電機(jī)比較，發(fā)現(xiàn)所提電機(jī)具有更大的輸出轉(zhuǎn)矩和更低的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)特性。文獻(xiàn)[21]通過(guò)在五相永磁電機(jī)中注入三次諧波，將轉(zhuǎn)矩密度提高約20%。因此，為了增加可利用的低次諧波，可采用更高自由度的多相電機(jī)設(shè)計(jì)方案[22]。當(dāng)然，諧波注入對(duì)氣隙磁密具有正向作用，而對(duì)定子軛部有負(fù)向作用，這會(huì)增大電機(jī)損耗。因此，在利用諧波提升電機(jī)磁負(fù)荷的過(guò)程中需要綜合考慮諧波帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)。

2.1.3 多工作波出力

近年來(lái)，隨著磁場(chǎng)調(diào)制理論的發(fā)展，永磁電機(jī)已從依賴單工作波運(yùn)行演變?yōu)槎喙ぷ鞑▍f(xié)同出力。永磁電機(jī)的磁場(chǎng)調(diào)制原理如圖2 所示，Pa、Pr、P分別表示初始磁動(dòng)勢(shì)極對(duì)數(shù)、調(diào)制器數(shù)和調(diào)制后磁動(dòng)勢(shì)極對(duì)數(shù)[23]。可以看出，由于調(diào)制器的作用，電機(jī)氣隙中將產(chǎn)生除基波以外的其他諧波。再通過(guò)電樞繞組設(shè)計(jì)，可以對(duì)多個(gè)磁場(chǎng)諧波進(jìn)行利用，從而提升電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能。文獻(xiàn)[10]推導(dǎo)了磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)轉(zhuǎn)矩與氣隙磁密之間的關(guān)系式，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)矩由多個(gè)磁場(chǎng)諧波共同產(chǎn)生。另外，其轉(zhuǎn)矩密度比常規(guī)永磁同步電機(jī)高40%，揭示了多工作波對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能提升的重要作用。

圖2 磁場(chǎng)調(diào)制原理

現(xiàn)階段提升多工作波電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度的方法主要包括提升工作諧波幅值和增加工作波個(gè)數(shù)兩方面。文獻(xiàn)[24]提出了Halbach 永磁體陣列的磁場(chǎng)調(diào)制永磁電機(jī)，如圖3 所示。該電機(jī)利用連續(xù)極Halbach 永磁體陣列的聚磁效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)工作諧波幅值的提升，達(dá)到增強(qiáng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度的效果。同樣地，文獻(xiàn)[25]提出了一種如圖4 所示的組合型磁通切換電機(jī)，該電機(jī)永磁體由一塊輻向永磁體和兩塊輔助永磁體組成，該結(jié)構(gòu)與Halbach 永磁體陣列相似，同樣具有聚磁效應(yīng)，能產(chǎn)生更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而提供更高的轉(zhuǎn)矩密度。

圖3 Halbach 陣列磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)

圖4 雙永磁體組合磁通切換電機(jī)

文獻(xiàn)[26]基于磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)的多工作波效應(yīng)對(duì)其調(diào)制器分布進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)調(diào)制器結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)具有重要影響，對(duì)其分布設(shè)計(jì)能產(chǎn)生更多的工作波數(shù)量，有效提升電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度。類似地，文獻(xiàn)[11]提出了雙邊永磁磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)，如圖5 所示。該電機(jī)在定轉(zhuǎn)子上都放置了永磁體，提升電機(jī)磁負(fù)荷的同時(shí)，利用定轉(zhuǎn)子凸極齒進(jìn)行雙邊調(diào)制，增加了工作波個(gè)數(shù)，提升了電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出性能。但該方案使得電機(jī)設(shè)計(jì)和磁場(chǎng)分析更加復(fù)雜。另外，增加的永磁體用量也提高了電機(jī)成本。

圖5 雙邊永磁磁場(chǎng)調(diào)制電機(jī)

需要注意的是，永磁電機(jī)的多工作波設(shè)計(jì)雖然能有效提升電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度，但由于調(diào)制效應(yīng)的存在，勢(shì)必會(huì)引入一些寄生諧波，這些諧波會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大，損耗升高。因此，在利用多工作波提升電機(jī)功率密度的同時(shí)，需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、損耗和效率等方面進(jìn)行綜合考慮。

2.2 高電負(fù)荷永磁電機(jī)

2.2.1 電負(fù)荷提升技術(shù)

永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩由電樞磁場(chǎng)和永磁磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生。因此，提升電機(jī)的電負(fù)荷也是有效提升電機(jī)功率密度的有效途徑。增強(qiáng)電機(jī)導(dǎo)線的載流能力，是提升電負(fù)荷最直接的方式。橡樹(shù)嶺公司通過(guò)在銅材料上附著一種類似于石墨烯的碳納米管材料，開(kāi)發(fā)了一種“超級(jí)銅線”[27-28]。該銅線的導(dǎo)電率10倍于銅，電流容量100 倍于銅，熱傳導(dǎo)效率10 倍于銅，強(qiáng)度是銅的300 倍，而重量?jī)H為銅的1/4～1/6。除了銅導(dǎo)線，超導(dǎo)繞組也廣受關(guān)注，其臨界電流可達(dá)130～170 A。以超導(dǎo)繞組為電樞的永磁超導(dǎo)電機(jī)，其功率密度得到了極大的提升[29]。

除了導(dǎo)電材料性能方面的提升，高槽滿率的繞組結(jié)構(gòu)也是研究者們追求的目標(biāo)。整數(shù)槽永磁電機(jī)常采用圓形導(dǎo)線，電機(jī)槽滿率較低。為了提升整數(shù)槽電機(jī)的槽滿率，提出了如圖6 所示的Hair-Pin 式的扁線繞組[30]。采用Hair-Pin 繞組后電機(jī)的槽滿率能提升至0.7 左右。此外，分?jǐn)?shù)槽永磁電機(jī)的定子可做成分裂的模塊化結(jié)構(gòu)，先繞制好繞組再拼裝，可將槽滿率提升至0.9 以上。因此，相較于整數(shù)槽分布繞組，集中繞組的槽滿率可得到顯著提升。

圖6 Hair-Pin 繞組與傳統(tǒng)繞組的對(duì)比

2.2.2 高電負(fù)荷利用技術(shù)

在永磁電機(jī)中，電機(jī)不僅有永磁轉(zhuǎn)矩，還有磁阻轉(zhuǎn)矩，如式(1)所示

式中，m為電機(jī)相數(shù)；p為極對(duì)數(shù)；λpm為永磁磁鏈；Ld、Lq分別為dq軸的電感；id、iq分別為dq軸電流。式(1)前半部分為與磁負(fù)荷、電負(fù)荷成正比的永磁轉(zhuǎn)矩，后半部分為與電流的平方成正比的磁阻轉(zhuǎn)矩。因此，高電負(fù)荷的永磁電機(jī)更利于從磁阻轉(zhuǎn)矩方面提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的PI?A等[31]通過(guò)分析同步磁阻永磁電機(jī)的dq軸磁路，提出了增加電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩的斷裂式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，但其加工較為困難。為解決加工可行性的問(wèn)題，SEN 等[32]和OBATA 等[33]設(shè)計(jì)了多層圓弧狀的鐵氧體勵(lì)磁同步磁阻電機(jī)。在此基礎(chǔ)上，PARK 等[34]建立了多層空氣槽結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化選取原則。雖然同步磁阻永磁電機(jī)在增加磁阻轉(zhuǎn)矩方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，但其矩角特性如圖7 所示。其永磁轉(zhuǎn)矩的最大值在矩角0°處，而磁阻轉(zhuǎn)矩的最大值在矩角45°處，無(wú)法實(shí)現(xiàn)磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩的最大化利用。為此，ZHAO等[35]提出了一種內(nèi)置式永磁電機(jī)，通過(guò)在沒(méi)有永磁體的轉(zhuǎn)子上開(kāi)空氣槽，調(diào)節(jié)永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩最大值的矩角，來(lái)實(shí)現(xiàn)永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩最大值處的電流角相同。然而，由于空氣磁障占用了一半圓周，電機(jī)的永磁體用量少，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度明顯偏低。同時(shí)，磁障張角的選擇由有限元仿真得到，兩個(gè)轉(zhuǎn)矩的逼近機(jī)理尚不清晰。為此，文獻(xiàn)[36]提出一種如圖8 所示的表貼式和內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)合的混合轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)。該電機(jī)一方面提升了電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度，另一方面，通過(guò)構(gòu)建永磁轉(zhuǎn)矩最大值及磁阻轉(zhuǎn)矩最大值的移動(dòng)角與永磁體和磁障張角的分析模型，揭示了永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩的矩角逼近機(jī)理。

圖7 永磁電機(jī)的矩角特性

圖8 混合轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)

2.3 高速永磁電機(jī)

除了增加電磁負(fù)荷外，增加電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度，形成高速永磁電機(jī)，也是提升轉(zhuǎn)矩密度的有效途徑。高速電機(jī)一般指轉(zhuǎn)子速度大于10 kr/min 的電機(jī)[37]。高速永磁電機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)子類型可分為內(nèi)置式高速永磁電機(jī)和表貼式高速永磁電機(jī)，內(nèi)置式高速永磁電機(jī)的整體效率要優(yōu)于表貼式高速永磁電機(jī)，而且內(nèi)置式高速永磁電機(jī)使用的永磁體數(shù)量更少[38]。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要有“一”形、“V”形、“U”形三種結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖9 所示。其中，“一”形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能夠承受較大的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力，“U”形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)性能較好，“V”形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)永磁體的利用率較高，轉(zhuǎn)矩密度較大。此外，可以將永磁體形狀進(jìn)行組合，形成多層永磁體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度。由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，表貼式高速永磁電機(jī)需要合金護(hù)套或者復(fù)合材料保護(hù)永磁體，防止永磁體脫落，而內(nèi)置式高速永磁電機(jī)通常由轉(zhuǎn)子鐵心保護(hù)永磁體。

圖9 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

目前，高速永磁電機(jī)的最大功率已達(dá)8 MW，轉(zhuǎn)速15 000 r/min，采用表貼式永磁轉(zhuǎn)子和碳纖維保護(hù)套捆扎[39]。最高轉(zhuǎn)速的永磁電機(jī)為500 000 r/min，功率為1 kW，轉(zhuǎn)子表面線速度為261 m/s，采用合金保護(hù)套[40]。表3 給出了目前高速永磁電機(jī)的現(xiàn)狀，可以看出，最高功率密度可達(dá)到34.1 kW/L。

表3 高速永磁電機(jī)的發(fā)展

3 永磁電機(jī)高效率設(shè)計(jì)方法

電機(jī)的效率與銅耗、鐵耗、永磁體渦流損耗以及風(fēng)磨損耗等密切相關(guān)。在非高速電機(jī)中，電機(jī)的風(fēng)磨損耗較小可以忽略。當(dāng)電機(jī)為高速電機(jī)時(shí)，可采用減小轉(zhuǎn)子表面粗糙度的方法降低電機(jī)內(nèi)的風(fēng)磨損耗。此外，減小銅耗通常會(huì)造成成本的增加或性能的改變，通常不作為優(yōu)先考慮的目標(biāo)。因此，在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般采取降低電機(jī)內(nèi)鐵耗和永磁體渦流損耗的方法來(lái)提高電機(jī)的效率。

3.1 影響效率的主要損耗

電機(jī)銅耗在電機(jī)損耗中通常占較大比例，永磁電機(jī)的銅耗為

式中，m為相數(shù)；I為相電流有效值；Rdc為直流相電阻。

當(dāng)電機(jī)在高速下運(yùn)行時(shí)，電流變化率很大，由此產(chǎn)生的趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)對(duì)銅耗的影響也較大。對(duì)于交流銅耗來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式誤差較大，不能準(zhǔn)確計(jì)算。要想得出準(zhǔn)確的交流銅耗，需要借助有限元仿真軟件計(jì)算[46]。降低銅耗的方法通常有降低端部繞組長(zhǎng)度、采用預(yù)制繞組、采用扁銅線或采用新型的繞組材料。由于銅耗的抑制往往會(huì)對(duì)電機(jī)成本造成較大波動(dòng)，因此其不是主流的損耗抑制方法。

電機(jī)鐵耗由鐵心的磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗構(gòu)成。經(jīng)典的鐵耗計(jì)算公式是Bertotti 鐵耗分立三項(xiàng)式，如式(3)所示

式中，Kh、Kc和Ke分別為磁滯損耗系數(shù)、渦流損耗系數(shù)以及附加損耗系數(shù)；f為電流頻率；Bm為磁密幅值。電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，鐵心處的磁密波形并不是正弦波。對(duì)磁密波形進(jìn)行傅里葉分解可以得到一系列不同幅值、頻率的正弦波。將各階次的諧波分別代入式(3)計(jì)算，利用疊加原理計(jì)算得出精確的鐵心損耗。同時(shí)，從式(3)可以看出，降低鐵耗的方法包括降低損耗系數(shù)和降低氣隙諧波，而降低電機(jī)的疊厚可直接降低損耗系數(shù)。因此，文獻(xiàn)[47]通過(guò)引入疊厚只有0.1 mm 的硅鋼片來(lái)降低電機(jī)的鐵耗，效果顯著。但是，該類硅鋼片的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于普通硅鋼片。此外，非晶合金材料雖可用于降低電機(jī)高速區(qū)的鐵耗[48]，但其導(dǎo)磁性能略低于傳統(tǒng)硅鋼片，其在低速區(qū)效果甚至略遜于傳統(tǒng)硅鋼片。另一方面，氣隙諧波的降低不僅利于降低鐵耗，還能降低永磁體渦流損耗[49]。永磁體渦流可由式(4)表示

式中，VPM為永磁體體積；fPM為定子開(kāi)槽和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)引起的永磁體中磁密變化的頻率；wPM為永磁體寬度；Bm為永磁體中磁密的幅值；ρPM為永磁體電阻率。

在降低氣隙諧波方面，可從繞組的排布、定轉(zhuǎn)子磁障設(shè)計(jì)[50]等方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2 改變繞組分布效應(yīng)的低諧波設(shè)計(jì)

改變繞組結(jié)構(gòu)的低諧波設(shè)計(jì)技術(shù)包括：槽數(shù)倍增、多層繞組結(jié)構(gòu)、不均等匝數(shù)繞組結(jié)構(gòu)、多相繞組相移以及Y-Δ 混合連接繞組結(jié)構(gòu)[51]。槽數(shù)倍增通過(guò)偶數(shù)倍的倍增定子槽數(shù)來(lái)增加節(jié)距，進(jìn)而使節(jié)距因數(shù)諧波階次按此比例放大，以實(shí)現(xiàn)低次諧波設(shè)計(jì)。但是，槽數(shù)偶數(shù)倍的倍增后，電機(jī)已不再屬于集中繞組結(jié)構(gòu)，將失去分?jǐn)?shù)槽集中繞組永磁電機(jī)繞組端部短和相間獨(dú)立性高的優(yōu)點(diǎn)。多層繞組結(jié)構(gòu)使得串聯(lián)在一起組成一個(gè)線圈組的線圈數(shù)和線圈排布方式發(fā)生變化，進(jìn)而減小某些特定階次諧波的定子磁動(dòng)勢(shì)諧波。然而，不同相線圈組頻繁地嵌放于同一槽內(nèi)，極大地增加了電機(jī)相間故障的風(fēng)險(xiǎn)。

不均等匝數(shù)繞組結(jié)構(gòu)能夠在不犧牲分?jǐn)?shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)高相間獨(dú)立性優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，有效抑制定子磁動(dòng)勢(shì)諧波[51]，結(jié)構(gòu)如圖10 所示。該結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)是每個(gè)線圈出線端均分置電機(jī)端部?jī)蓚?cè)，相鄰兩槽內(nèi)嵌放的導(dǎo)體數(shù)不同且匝數(shù)差(n2-n1)恒為1。當(dāng)匝數(shù)比n1/n2=0.87 時(shí)，定子磁動(dòng)勢(shì)諧波抑制效果最佳。然而，該低諧波設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)繞組匝數(shù)的選取要求很高，而且繞組出線端分置電機(jī)端部?jī)蓚?cè)，繞組結(jié)構(gòu)與其端部接線復(fù)雜程度均有所增加。

圖10 不均等匝集中繞組結(jié)構(gòu)

Y-Δ 混合連接繞組結(jié)構(gòu)是指同一相繞組不同線圈組內(nèi)的連接方式，如圖11 所示。通過(guò)優(yōu)化Y 形連接繞組和Δ 形連接繞組匝數(shù)比值，能夠有效抑制某些特定分量的定子磁動(dòng)勢(shì)諧波[52]。同時(shí)，由于Y-Δ混合連接繞組結(jié)構(gòu)Y 形連接的線圈組和Δ 形連接的線圈組電流和匝數(shù)在時(shí)空上的特定關(guān)系，使得其所形成的磁動(dòng)勢(shì)等幅值同相位，此時(shí)兩個(gè)線圈合成時(shí)不存在分布效應(yīng)，工作次諧波的分布因數(shù)為1。與傳統(tǒng)雙層繞組相比，電機(jī)的基波繞組因數(shù)更高。

圖11 繞組連接圖

3.3 改變定轉(zhuǎn)子齒槽結(jié)構(gòu)的低諧波設(shè)計(jì)

圖12 為永磁電機(jī)定子磁障結(jié)構(gòu)。定子磁障結(jié)構(gòu)能夠有效抑制低階次電樞反應(yīng)磁場(chǎng)諧波，而其工作次諧波和其他高階次電樞反應(yīng)磁場(chǎng)諧波幾乎不受影響[53]。但是，定子磁障結(jié)構(gòu)極大地增加了永磁磁場(chǎng)路徑的磁阻，致使電機(jī)永磁磁場(chǎng)下降，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)矩輸出能力，功率密度難以提升。除此以外，定子磁障的引入使得定子軛部極易飽和，尤其是電負(fù)荷較大的永磁電機(jī)或是負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大的應(yīng)用場(chǎng)合。

圖12 定子磁障結(jié)構(gòu)

在永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子交、直軸適當(dāng)位置設(shè)計(jì)磁障，能夠限制低階次電樞反應(yīng)磁場(chǎng)諧波，進(jìn)而抑制轉(zhuǎn)子渦流損耗。其中，直軸磁障幾乎不影響電機(jī)的永磁磁場(chǎng)，但卻對(duì)轉(zhuǎn)子力學(xué)強(qiáng)度與完整性提出了挑戰(zhàn)。相反地，交軸磁障會(huì)對(duì)電機(jī)的永磁磁場(chǎng)產(chǎn)生很大的影響，而對(duì)轉(zhuǎn)子力學(xué)強(qiáng)度的影響相對(duì)較小[54]。轉(zhuǎn)子磁障結(jié)構(gòu)的低諧波設(shè)計(jì)技術(shù)均需遵循一個(gè)特定原則，即在盡量不影響永磁磁場(chǎng)的前提下，最大限度地抑制電樞反應(yīng)磁場(chǎng)諧波。為此，文獻(xiàn)[55]提出一種轉(zhuǎn)子磁障結(jié)構(gòu)，如圖13 所示。從圖13c 和圖13d 可以看出，增加轉(zhuǎn)子磁障后，電機(jī)內(nèi)的永磁磁密幾乎不受到影響，但是電樞磁密的1 次諧波受到極大抑制。

圖13 轉(zhuǎn)子磁障結(jié)構(gòu)

3.4 改變損耗配比的高效率區(qū)設(shè)計(jì)

前文主要研究了特定運(yùn)行條件下永磁電機(jī)效率提升方法。然而，隨著永磁電機(jī)調(diào)速需求越來(lái)越高，寬區(qū)間內(nèi)的整體高效受到了關(guān)注。文獻(xiàn)[56]給出了通用轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速下各種電機(jī)的高效率區(qū)域在效率Map 圖中的位置，如圖14 所示。可以看出，感應(yīng)電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的高效率區(qū)域位于高速區(qū)域[57]，而永磁電機(jī)的高效率區(qū)位于中低速區(qū)域。這是因?yàn)?，在高速弱磁區(qū)域，傳統(tǒng)永磁電機(jī)需要注入負(fù)的d軸電流，增大銅耗，降低了效率。

圖14 高效區(qū)分布

文獻(xiàn)[58-59]提出采用鋁鎳鈷的記憶永磁電機(jī)，通過(guò)磁場(chǎng)的增強(qiáng)和削弱可以將電機(jī)的高效區(qū)向不同方向移動(dòng)，進(jìn)而擴(kuò)大了永磁電機(jī)的效率范圍(圖15)。然而，該方法未闡明高效區(qū)隨損耗分布變化的映射關(guān)系。文獻(xiàn)[60]通過(guò)建立不同工況下?lián)p耗模型，重構(gòu)了永磁電機(jī)效率函數(shù)，提出了效率云圖快速計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[61]通過(guò)建立最高效率點(diǎn)與周圍四點(diǎn)的功率、電磁轉(zhuǎn)矩、損耗分析模型，探明銅耗對(duì)高效區(qū)在轉(zhuǎn)速方向上的移動(dòng)起主導(dǎo)作用。同時(shí)，鐵耗是影響永磁電機(jī)高效區(qū)在轉(zhuǎn)矩方向上移動(dòng)的關(guān)鍵因素。因此，可通過(guò)調(diào)整永磁電機(jī)銅耗、鐵耗比例，使永磁電機(jī)高效區(qū)移動(dòng)至理想位置，為永磁電機(jī)的高效區(qū)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

圖15 高效區(qū)移動(dòng)

4 熱分析與冷卻技術(shù)

高效率輕量化永磁電機(jī)內(nèi)的電磁負(fù)荷較高，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，精確的熱分析和高效的熱冷卻技術(shù)是該類電機(jī)可靠運(yùn)行的保障。

4.1 熱分析方法

目前常用的電機(jī)熱分析方法有三種：集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)法(Lumped parameter thermal network,LPTN)、有限元法(Finite element analysis, FEA)和計(jì)算流體力學(xué)法(Computational fluid dynamics,CFD)[62]。

LPTN 法的經(jīng)典模型如圖16 所示。針對(duì)LPTN法不能計(jì)算溫度分布的問(wèn)題，文獻(xiàn)[63]采用損耗不均勻分布法計(jì)算出繞組部分的溫度分布，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了有效性。文獻(xiàn)[64]引入了網(wǎng)格剖分的思路，在定子齒區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，精確劃分了熱路徑，從而解決了LPTN 無(wú)法計(jì)算溫度分布以及最高溫度的問(wèn)題。為了提高 LPTN 法的計(jì)算速度，文獻(xiàn)[65]先用7 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算溫度，再針對(duì)熱流路徑用一個(gè)3 節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)替代，實(shí)現(xiàn)了繞組溫度的快速監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[66]充分利用電機(jī)溫度分布的對(duì)稱性將三維LPTN 模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，在不降低精度的前提下大大提高了計(jì)算速度。文獻(xiàn)[67]提出了一種損耗分離的方法，先將電機(jī)在不同工況下的損耗制成表格，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況讀取相應(yīng)損耗，再利用LPTN 法便可快速計(jì)算出電機(jī)各部位的實(shí)時(shí)溫度。

圖16 LPTN 模型

為了兼具LPTN 的快速性并提升計(jì)算精度，文獻(xiàn)[68]采取FEA 和LPTN 混合建模，對(duì)溫度分布或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域使用FEA 建模，其余部分則用LPTN 建模，模型邊界相互聯(lián)系。然而該方法中的散熱系數(shù)由經(jīng)驗(yàn)公式確定。為此，文獻(xiàn)[69]首先在電磁場(chǎng)計(jì)算損耗，再在流體場(chǎng)計(jì)算散熱系數(shù)，最后在溫度場(chǎng)計(jì)算溫度，邏輯清晰，可以有效地解決損耗和散熱系數(shù)的計(jì)算誤差問(wèn)題。文獻(xiàn)[70]提出先用CFD 法準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)，再將計(jì)算得出的對(duì)流換熱系數(shù)用于LPTN 法或FEA 法，有效避免了由經(jīng)驗(yàn)公式造成的誤差。然而，以上方法僅考慮了磁熱的單向流動(dòng)，而永磁電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，磁熱存在交叉耦合作用。為此，文獻(xiàn)[71]將溫度場(chǎng)分析的結(jié)果用于更新電磁場(chǎng)的參數(shù)，再將新的電磁場(chǎng)用于求解電機(jī)的溫度，如圖17 所示不斷迭代得到精確解。這種分析方法可獲得電機(jī)結(jié)構(gòu)全域內(nèi)的溫度分布，精度高，但計(jì)算量大。

圖17 磁熱雙向耦合流程圖

4.2 冷卻技術(shù)

在獲得電機(jī)溫度分布的基礎(chǔ)上，采取合適的冷卻方案來(lái)加速電機(jī)的散熱，才能保障電機(jī)長(zhǎng)期安全地運(yùn)行。

對(duì)于中小型電機(jī)來(lái)說(shuō)，一般采用自然冷卻的方法。為了解決自然冷卻下電機(jī)內(nèi)部散熱困難的問(wèn)題，文獻(xiàn)[72]提出了一種方法，如圖18 所示，通過(guò)將一根具有高熱導(dǎo)率的熱管插入槽內(nèi)，便可將大部分銅耗產(chǎn)生的熱量直接從槽內(nèi)導(dǎo)出到電機(jī)外部，雖然文中電機(jī)功率密度不足1 kW/kg，但與無(wú)導(dǎo)熱管結(jié)構(gòu)相比，可使繞組溫度降低約20 ℃，解決了槽內(nèi)散熱困難的難題。然而，該方法生產(chǎn)成本較高且影響電機(jī)的繞組因數(shù)。當(dāng)電機(jī)的功率密度較大，自然冷卻無(wú)法滿足溫度需求時(shí)，可以采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方法。文獻(xiàn)[73]在電機(jī)轉(zhuǎn)子部分添加了不同尺寸和數(shù)量的葉片以及通風(fēng)孔，如圖19 所示。當(dāng)葉片和通風(fēng)孔的數(shù)量分別為12 和18 時(shí)，電機(jī)散熱效果最好，采用該冷卻方式的電機(jī)其功率密度最大可以達(dá)到4 kW/kg。這種方法的好處是無(wú)需額外的動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)帶動(dòng)風(fēng)扇，缺點(diǎn)是會(huì)降低轉(zhuǎn)矩密度，且風(fēng)扇在轉(zhuǎn)速較高時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲。

圖18 熱管冷卻模型

圖19 帶葉片和通風(fēng)孔的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

當(dāng)強(qiáng)迫風(fēng)冷也無(wú)法滿足電機(jī)的溫度需求時(shí)，可以采用水冷的方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻。文獻(xiàn)[74]通過(guò)在機(jī)殼上安裝冷卻水道，對(duì)電機(jī)整體進(jìn)行冷卻，并分析了水道長(zhǎng)寬對(duì)溫度梯度以及換熱系數(shù)的影響。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在流量相同的情況下，由于軸向水道拐角處易形成渦流，流速變快，故而軸向水道換熱系數(shù)要大于周向水道換熱系數(shù)(圖20)，功率密度可達(dá)10 kW/kg。對(duì)于銅耗占總損耗比重較大的電機(jī)，文獻(xiàn)[75]將水冷板插入定子鐵心中，對(duì)繞組進(jìn)行冷卻，如圖21 所示。該方法對(duì)繞組的冷卻效果較好，與常規(guī)的水冷道結(jié)構(gòu)相比，雖然功率密度接近，但是能使繞組的溫度由110 ℃降到90 ℃。與熱管技術(shù)類似，提升電機(jī)功率密度的同時(shí)，易產(chǎn)生諧波。為了解決永磁體溫度過(guò)高的問(wèn)題，文獻(xiàn)[76]將水道設(shè)置在轉(zhuǎn)軸內(nèi)部，對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心和永磁體進(jìn)行定向冷卻，雖然功率密度僅為8 kW/kg 左右，但可以有效降低永磁體溫度。

圖20 周向水道與軸向水道冷卻性能對(duì)比

圖21 水冷板拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在一些極端情況或某些特殊場(chǎng)合下，油冷可作為水冷的替補(bǔ)使用。文獻(xiàn)[77]提出了一種采用噴霧式油冷來(lái)冷卻端部繞組的方法，如圖22 所示。該方法冷卻效果理想，但是要求繞組保持軸向高熱導(dǎo)率，且噴霧冷卻的熱參數(shù)需要專業(yè)設(shè)備測(cè)量，設(shè)計(jì)階段難度較大且功率密度提升有限，僅能達(dá)到5 kW/kg左右。文獻(xiàn)[78]采用浸油式冷卻繞組的方法，分析得出其冷卻效果是間接水冷的2.87 倍，可以使電機(jī)的功率密度達(dá)到12 kW/kg 以上，但是該方法對(duì)密封性能要求高。

圖22 噴霧式油冷

5 高效率控制技術(shù)

永磁電機(jī)及其控制系統(tǒng)作為電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換的電力系統(tǒng)，優(yōu)化時(shí)應(yīng)作一個(gè)系統(tǒng)整體考慮，單獨(dú)研究電機(jī)或控制的優(yōu)化均不能使系統(tǒng)最優(yōu)。前文從電機(jī)本體設(shè)計(jì)角度闡述了高效率輕量化永磁電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，而從電機(jī)系統(tǒng)整體高效來(lái)看，高效率驅(qū)動(dòng)技術(shù)也至關(guān)重要。現(xiàn)有高效驅(qū)動(dòng)技術(shù)包含最大轉(zhuǎn)矩電流比控制(Maximum torque per ampere, MTPA)、最大效率電流比控制(Maximum efficiency per ampere, MEPA)和寬禁帶變流器。

5.1 最大轉(zhuǎn)矩電流比控制

圖23 給出了恒轉(zhuǎn)矩及MTPA 曲線圖，可以直觀看出在特定轉(zhuǎn)矩條件下，MTPA 點(diǎn)處電流幅值最小。因此，為了充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力，一般采用MTPA 控制策略。

圖23 恒轉(zhuǎn)矩及MTPA 曲線

現(xiàn)有的MTPA 算法大致可以分為依賴參數(shù)和不依賴參數(shù)兩大類。依賴參數(shù)的MTPA 控制方法包括公式計(jì)算法和查表法等。公式計(jì)算法主要是利用恒轉(zhuǎn)矩曲線下的MTPA 軌跡特性，通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程求導(dǎo)得到 MTPA 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流矢量角表達(dá)式[79]。然而，該方法依賴電機(jī)參數(shù)，為了解決這一問(wèn)題，學(xué)者們將在線參數(shù)辨識(shí)算法[80]引入MTPA 控制策略中。但是該算法運(yùn)算較為復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)算能力要求較高。查表法[81]是將電機(jī)在不同工況下的MTPA 點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值制成數(shù)據(jù)表，通過(guò)在線查表的方式進(jìn)行給定，該方法需要控制器具有較大的存儲(chǔ)空間。

不依賴參數(shù)的MTPA 控制方法有極值搜索法和高頻信號(hào)注入法等。極值搜索法[82]是通過(guò)小步長(zhǎng)在線修改控制參數(shù)的給定值，并通過(guò)多次比較最終確定電機(jī)的MTPA 運(yùn)行工況。該算法簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，但是在自校正環(huán)節(jié)中，MTPA 點(diǎn)的收斂速度和精度都有待改善。高頻信號(hào)注入法則是先向系統(tǒng)中注入一個(gè)額外的高頻小信號(hào)，然后對(duì)注入信號(hào)進(jìn)行提取，最后通過(guò)調(diào)整控制系統(tǒng)達(dá)到MTPA 運(yùn)行工況。

文獻(xiàn)[83]提出了一種空間電壓矢量注入的MTPA 方法，如圖24 所示。高頻信號(hào)的注入使得電壓矢量Us發(fā)生抖動(dòng)，從而帶動(dòng)定子磁鏈?zhǔn)噶康淖兓?，如?5)所示

圖24 電壓矢量注入示意圖

當(dāng)系統(tǒng)的磁鏈發(fā)生擾動(dòng)后，電流會(huì)隨之響應(yīng)，此時(shí)根據(jù)電流i與磁鏈ψ的關(guān)系即可尋找MTPA 角。為了適應(yīng)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行需求，文獻(xiàn)[84]將信號(hào)注入由參考電壓矢量調(diào)整至空間矢量脈寬調(diào)制(Space vector pulse width modulation, SVPWM)上，通過(guò)改變矢量的作用時(shí)間形成頻率可變的MTPA 控制。為了降低真實(shí)信號(hào)注入引起的高頻損耗，文獻(xiàn)[85]提出了一種基于虛擬信號(hào)注入的MTPA 控制方法，將一個(gè)高頻的正弦小信號(hào)注入到電機(jī)數(shù)學(xué)模型的電流矢量角中，進(jìn)而使電機(jī)轉(zhuǎn)矩中包含高頻信號(hào)分量，根據(jù)轉(zhuǎn)矩Te和電流角β的關(guān)系求解出MTPA 電流矢量角。

5.2 最大效率控制(MEPA)

永磁電機(jī)及其控制系統(tǒng)損耗來(lái)源較多，其主要組成如圖25 所示。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，可以通過(guò)減少可控的基本損耗和減小系統(tǒng)的輸入功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。相較于其他損耗，電機(jī)的銅耗、鐵耗占比大，且能通過(guò)電機(jī)模型參數(shù)計(jì)算獲得。因此，在忽略難以計(jì)算損耗的前提下，電機(jī)的總損耗可以表示為

圖25 永磁電機(jī)以及控制系統(tǒng)損耗組成

銅耗即電機(jī)繞組電阻熱損耗，由于繞組材料的電阻率隨溫度變化而變化，在相同的電流情況下，永磁電機(jī)銅耗亦隨溫度而改變。永磁電機(jī)銅耗如式(7)所示，其中R(T)為電機(jī)相電阻關(guān)于溫度的函數(shù)。

鐵耗通常包含磁滯損耗、渦流損耗以及異常損害，其計(jì)算的方法有很多，經(jīng)典模型為Bertotti 鐵損模型，如式(3)所示。該模型對(duì)參數(shù)依賴性較小，計(jì)算鐵耗較為準(zhǔn)確，通常包含在線搜索算法和信號(hào)注入方法獲得最高效率運(yùn)行點(diǎn)。文獻(xiàn)[86]通過(guò)迭代控制變量來(lái)完成在線搜索算法，但此方法收斂速度較慢，容易受電流和電壓諧波的影響，不適合具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)轉(zhuǎn)矩需求的電機(jī)。為了解決傳統(tǒng)在線搜索算法響應(yīng)慢、易受諧波影響、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增加等問(wèn)題，文獻(xiàn)[87]提出了一種虛擬高頻方波信號(hào)注入方法來(lái)尋找最佳電流角，該方法具有良好的搜索精度和動(dòng)態(tài)性能。

另一種方法則是將鐵耗的計(jì)算等效為鐵損電阻，其損耗模型等效圖如圖26 所示。

圖26 損耗模型的等效電路

結(jié)合轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方程，最終的損耗可以表達(dá)為

因此，要實(shí)現(xiàn)電機(jī)最小損耗控制，需要滿足dPLoss/diωd=0。文獻(xiàn)[88]將等效損耗模型應(yīng)用到SVPWM 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，將系統(tǒng)的效率提高約20%，在高速域尤為明顯。為了精確計(jì)算功率變換器的損耗，文獻(xiàn)[89]針對(duì)開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗的非線性特性，通過(guò)調(diào)節(jié)磁鏈實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)效率的最大化。但這些方法僅僅適用于表貼式永磁電機(jī)，無(wú)法適用于d-q軸電感不等的內(nèi)嵌式永磁電機(jī)。針對(duì)該問(wèn)題，文獻(xiàn)[90]提出了適用于內(nèi)嵌式永磁電機(jī)的等效損耗模型和多項(xiàng)式擬合方法。該方法顯著降低了內(nèi)嵌式永磁電機(jī)的損耗。

此外，通過(guò)減小系統(tǒng)的輸入功率也能提高系統(tǒng)的效率。文獻(xiàn)[91]在損耗模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)矩向量和輸入功率向量的梯度實(shí)現(xiàn)了恒轉(zhuǎn)矩情況下輸入功率的最小化。文獻(xiàn)[92]則提出了一種不同于傳統(tǒng)VVVF 驅(qū)動(dòng)器的新型經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動(dòng)器，減小了電機(jī)電流幅值，從而降低了損耗，提高了輸入功率因數(shù)。

5.3 寬禁帶變流器

對(duì)于電機(jī)及其控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，減小逆變器的損耗也是提高效率的重要一環(huán)。寬禁帶半導(dǎo)體是指禁帶寬度在2.2 eV 以上的半導(dǎo)體材料，如氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)材料。相比傳統(tǒng)硅器件，其導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗都要小很多。由此可以減小逆變器的整體損耗。

文獻(xiàn)[93]實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)的超高速直接轉(zhuǎn)矩控制，利用SiC-MOSFET 開(kāi)關(guān)頻率高的優(yōu)勢(shì)極大減小了死區(qū)時(shí)間，有效降低開(kāi)關(guān)損耗。文獻(xiàn)[94]分別從功率損耗、效率、開(kāi)關(guān)速度等多方面進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，充分驗(yàn)證了寬禁帶功率器件的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[95]提出了基于混合逆變器的SVPWM調(diào)制策略，SiC-MOSFET 和Si-IGBT 分別產(chǎn)生零電壓矢量和有效電壓矢量，通過(guò)功率器件的組合可以實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率和操作自由度。

6 研究與展望

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的持續(xù)努力，永磁電機(jī)系統(tǒng)在輕量化設(shè)計(jì)以及高效率運(yùn)行方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，仍可從以下四個(gè)方面進(jìn)行突破。

(1) 在極端應(yīng)用場(chǎng)合下，要求電機(jī)系統(tǒng)具備對(duì)高溫、低溫、高壓、真空、強(qiáng)輻射、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力。然而，這些極端環(huán)境對(duì)電機(jī)電、磁、熱性能的影響機(jī)理尚不清晰，后續(xù)需要揭示極端應(yīng)用環(huán)境下的輕量化高效率永磁電機(jī)設(shè)計(jì)理論。

(2) 目前，輕量化高效率電機(jī)中的電、磁、熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)已接近極限，參數(shù)間的矛盾日益凸顯。后續(xù)可將多目標(biāo)優(yōu)化算法引入，以實(shí)現(xiàn)各參數(shù)間的權(quán)衡和兼顧。此外，優(yōu)化的過(guò)程不能僅考慮各物理場(chǎng)的單獨(dú)優(yōu)化，需要綜合考慮電磁、溫度、機(jī)械和流體各物理量之間的耦合約束，以實(shí)現(xiàn)電磁熱力多場(chǎng)耦合下的最優(yōu)。

(3) 高頻化變流器利于實(shí)現(xiàn)高速、超高速永磁電機(jī)的正弦電流驅(qū)動(dòng)。因此，兼具高速永磁電機(jī)和高頻化變流器的輕量化高效率永磁電機(jī)系統(tǒng)是未來(lái)發(fā)展方向之一。然而，高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)增大繞組的交流損耗和局部放電，影響電機(jī)系統(tǒng)的壽命。未來(lái)開(kāi)展電機(jī)繞組高精度交流損耗建模和壽命預(yù)測(cè)方面的研究，具有重要意義。

(4) 本文所述的輕量化高效率永磁電機(jī)系統(tǒng)僅局限于正常運(yùn)行下的性能設(shè)計(jì)和分析。而在一些重大裝備中，電機(jī)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行能力至關(guān)重要。研究電機(jī)系統(tǒng)故障或容錯(cuò)運(yùn)行下，電機(jī)是否仍能保持高效率、高功率密度運(yùn)行，以及是否會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)熱等問(wèn)題，具有重要意義。因此，后續(xù)可開(kāi)展容錯(cuò)運(yùn)行下的熱分析、冷卻以及高效率運(yùn)行策略的研究。

7 結(jié)論

輕量化高效率永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)涉及電負(fù)荷、磁負(fù)荷和熱負(fù)荷這三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。本文對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者相關(guān)研究成果進(jìn)行分析、總結(jié)與歸納，梳理了高電磁負(fù)荷的關(guān)鍵設(shè)計(jì)方法來(lái)提高永磁電機(jī)的功率密度以及效率。此外，通過(guò)保障熱負(fù)荷穩(wěn)定的精確熱分析和高效冷卻技術(shù)來(lái)提高控制系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，針對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效運(yùn)行瓶頸，概述了多種高效率控制技術(shù)。總之，輕量化高效率永磁電機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前的研究仍不完善。未來(lái)，輕量化高效率永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將會(huì)向著極端環(huán)境下設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)、電機(jī)優(yōu)化過(guò)程綜合考慮各物理量之間的耦合約束、高頻化變流器的設(shè)計(jì)以及容錯(cuò)運(yùn)行等方向發(fā)展。