新能源汽车用永磁辅助同步磁阻电机的优化设计

刘稳　李君妍　刘译蔓

摘 要：新能源汽车对于驱动电机的要求越来越高，不仅在效率、密度等方面有所体现，更是对性价比和安全性方面提出了更高的要求。为了解决成本和性能之间的矛盾，永磁辅助同步磁阻电机引起了人们的关注，并且永磁辅助式同步磁阻电动机与传统的稀土永磁同步电动机具有相同的功率密度和效率，但制造成本大幅降低，在新能源汽车驱动领域有着良好的应用前景。首先介绍国外新能源汽车驱动用永磁辅助式同步磁阻电机的开发情况，综述了该电机若干关键问题的研究进展，最后分析了其优化设计与控制特点。

关键词：新能源汽车 永磁辅助同步磁阻电机 优化设计

控制特点

0 引言

本课题以一款商业化的电机（丰田 PRIUS 2010主驱动电机）为基准，使用结构力学有限元校核设计了转子内薄弱区域结构，以基于有限元法的遗传算法为优化设计工具，最终优化设计得到一款各方面性能均优异的永磁辅助同步磁阻电机。通过对比新设计电机与基准电机的效率云图和运行特性曲线，来证实永磁辅助同步磁阻电机可以作为替代基准电机应用的极具竞争力的新产品。

1 技术路线

1.1原理介绍

以基准电机为基础，将定子外圆、定子槽面积、定子绕组参数、磁钢使用量、气隙长度及电机轴向长度与基准电机保持一致，自由变动电机转子结构，以最大转矩为目标，改变气隙半径长度、磁钢厚度及各磁钢宽度、径向磁障厚度、倾角，各层磁障间的厚度，保证平行齿条件下的定子槽宽，最内层磁钢与轴间的距离。分析不同品质因数对性能的影响，得出一些结论从而根据具体的要求选取不同的品质因数，以达到具体的要求。用遗传算法对新结构进行计算，分析、形成合理的结构方案。

1.2研究方案

在保持热负荷不变、磁钢用量相同的前提下，通过对气隙半径、转子内磁障层数、转子上其他组件结构进行优化设计，来达到转矩密度更大、功率密度更高的设计目的。对比研究 PMa 电机与基准电机，设计出在不增加材料费用、不改变外部散热条件和驱动装置的条件下，几乎可以完全替代基准电机，实现相同的驱动能力的 PMa 电机。

2 PMa电机优化设计

2.1 优化设计方法及假定条件

新设计的电机在如下方面与基准电机保持一致：

（1） 定子外圆、定子槽面积、定子绕组参数；

（2） 磁钢使用量；

（3） 气隙长度、电机轴向长度。

使用上述条件，保证了新设计电机与基准电机在性能、材料费用上具有较高的可比性，方便对设计方案进行评估。

2.2 优化结果及局部结构调整

磁障层数的确定：

磁障的层数可有很多层，本文首先优化了3层磁障结构，以此为基础研究1层、2层和4层结构时的电机性能。

通过对结构的优化设计，新结构电机的输出转矩均可大于基准电机。当磁障层数为2层或3层时，两者的转速转矩曲线几乎完全重合，由此可以认为当前的基本尺寸约束下磁障层数大于2时已经无法大幅提升电机性能。磁障层数愈多，加工工艺性愈差，兼顾电机性能和结构工艺性要求，可认为2层磁障是较为合理的布置，后续分析均以此结构为基础。

得到轉子结构方案后，考虑气隙半径及定子槽型的变化进行第2步优化。第2步优化时以第1步优化为基础，即设定转子上结构参数变化范围时参照第1步优化得到的结果，设定一个较小的变化范围以提高优化速度。将上述所列参数设定为粗略的范围，使用遗传算法进行优化。需要说明的是，事实上可以只进行第2步优化，设置较宽的各结构参数可变化范围进行优化，但这需要大量的计算时间。通过第2步优化得到气隙直径约为180 mm。此二种结构在定子绕组和永磁用量等关键参数相同的情况下，通过优化气隙半径，使得电机的负载能力提升4%。故而可以认为新得到的电机结构可以作为一个较优的备选方案进行机械强度校核计算，以期得到一款可应用于生产实际的电机结构。

3 新电机分析

在此结构下径向磁障与切向磁障间，以及切向磁障中间均非常薄弱，需合理设置磁桥以保障结构安全。在磁障两端亦需做圆角处理以防止应力集中，同时需综合考虑圆角后漏磁场的增加可能对电机性能造成的影响。调整仿真时的电机转速使得转子上最大应力≤249 MPa，得到电机的转速为12530 r/min，约为基准电机的 93%。通过逐步调整各磁桥的形状及圆角尺寸，

该新电机的定转子结构如图2所示。

4 结语

在对现有的研究进行分析比较得到永磁辅助同步磁阻电机应具备如下特点：与稀土永磁同步电动机有相同的功率密度与效率，但制造成本大幅降低，性价比高，不存在高速过压风险，高温时电机性能稳定。本课题通过对电机参数进行合理设置，对仿真运行结果进行分析，根据实际电机运行劣势与转矩特性，微调结构参数，并与基准电机进行比较，来代替基准电机，实现相同的驱动能力，提出一些适合在工程条件下应用的控制方法。

参考文献

[1] 黄启振. 50kW电动汽车驱动用永磁辅助式同步磁阻电动机研究[D].湖北工业大学，2015.

[2] 刘伟. 37kW空压机用异步起动永磁辅助式磁阻同步电动机研究[D].湖北工业大学，2015.