永磁同步电动机不同转子结构的性能研究

陈绪标，童学志

(上海海立(集团)股份有限公司，上海 201206)

0 引 言

永磁同步电动机在工业生产应用中追求高功率密度、高转矩密度，实现生产生活不同领域的智能控制，在永磁电机设计过程中保证效率的同时兼顾电动机机械特性、以及调速范围，如何设计能进一步实现高性价比的永磁同步电动机是本文的意义所在。

用于汽车行业的主驱电机追求高功率密度、宽调速范围、高可靠性等卓越的综合性能指标，内嵌式转子结构由于其本身固有的高可靠性特点在汽车主驱永磁电机中得到广泛应用。内置式转子结构型式多种多样，与其相关研究成果也很多。文献[1]详细介绍了永磁同步电动机内置式转子的V形和切向型结构，并列举了6种不同转子的凸极率；文献[2]论述了一种汽车永磁电机V形转子的参数分析过程及对弱磁控制的影响；文献[3]重点研究了一种内置式永磁同步电动机定子斜槽、6极36槽配合的气隙磁密谐波、交直轴电感参数性能。

在工程应用中，汽车用永磁同步电动机定子采用直槽结构，定转子槽极配合为8极48槽，基于该种结构的永磁转子对应不同的凸极比，其外特性如何、磁钢用量多少、哪种形式转子性能最优、是否符合高性价比要求，本文将针对这些热点问题进行详细的分析。

1 基本原理

永磁同步电动机的主要结构由定子(包括定子铁心、线圈、机壳等)、永磁转子(包括转子铁心、永磁体、转轴等)、前后端盖、轴承、接线盒以及反馈组件等多个主要零部件组成。

永磁同步电动机的电磁原理与他励直流电动机类似[4]。永磁同步电动机的旋转控制采用旋转坐标系的思想，将三相定子电流进行解耦，分解成专用于励磁的直轴分量，以及专用于产生输出转矩的交轴分量，两种分量互相独立互不耦合。

对于永磁同步电动机来说，定子影响主要体现在定子绕组分布情况、定子槽数等，这与异步电机区别不大；而转子的影响则体现在整个磁路上，不同结构的永磁转子对电机性能影响极大。永磁转子按结构一般分为表贴式和内置式两种，内置式转子结构相对复杂，本文以内置式转子为研究点进行展开。

永磁同步电动机凸极比ρ一般指交直轴电感(或者是电抗)之比。即：

(1)

表贴式交直轴电感接近相等，其凸极比ρ=1；而内置式永磁同步电动机根据永磁体在转子中的排布，形成多种不同凸极比的转子结构，主要分为ρ>1和ρ<1两种情况[5]。

永磁同步电动机的基本向量关系如图1所示。

图1 永磁同步电动机基本向量图[6]

根据图1的向量关系及永磁同步电动机的电磁原理，得到电磁转矩Te的计算公式如下[6]：

(2)

式中：p为极对数；β为弱磁角；ψf为永磁磁链；Ia为定子电流；

从式(2)中可以看出，内置式永磁同步电动机电磁转矩由永磁转矩和磁阻转矩两部分组成。永磁转矩与弱磁角成余弦关系，且与励磁磁链成正比；而磁阻转矩与两倍弱磁角成正弦关系，还与交直轴电感之差成正比。

由电机电磁场理论有：

ψf=NΦ=NBS

(3)

式中：N为每极线圈匝数；B为每极气隙磁密；S为每极磁通面积。又根据电感差：

(Lq-Ld)∝ρ

(4)

不计弱磁角度、极对数以及电枢电流影响，最终可以推得：

Te∝BSN

(5)

Te∝ρ

(6)

从式(3)～式(6)可以看出，内置式永磁同步电动机的电磁转矩与永磁电机每极线圈匝数、每极气隙磁密、每极磁通面积以及凸极比成正相关关系。

2 研究方法及过程

2.1 研究方法

本文以某款国产汽车电机的主体结构为例，其具体性能参数指标如表1所示，进行典型规格优化设计。

表1 某款国产汽车电机性能指标参数

在研究过程中，先结合工程实际应用，设定相同的定子参数，在其基础上进行市场调研，结合理论研究成果，采用磁链、凸极比均有所不同的转子结构进行仿真对比，汇总数据。然后针对仿真数据进行分析，分别计算最大输出功率、最大转矩、反电动势系数KE值以及永磁体体积，并分别计算功率磁钢体积比、转矩磁钢体积比、以及反电动势系数磁钢体积比，比较各转子方案性能优势及经济性。

2.2 研究过程

2.2.1 建立模型

根据表1的性能指标，进行5种转子拓扑结构的计算：三角形、混合型、切向型、V字形及一字形等[7]，具体结构及交直轴分布如图2所示。

图2 不同转子拓扑结构及交直轴分布

按图2的转子拓扑结构建模，槽极配合为经典的8极48槽，定子绕组形式采用1～6的分布式双层绕组。

2.2.2 设定激励条件

根据永磁同步电动机工作原理，设定电机定子输入电流为三相正弦电流，具体激励表达式如下：

iA=Imaxsin(2πft+β)

iB=Imaxsin(2πft+β-2π/3)

iC=Imaxsin(2πft+β+2π/3)

式中：Imax为电机线电流峰值；f为电流频率；t为时间；β为弱磁角。

在上述激励条件下考虑损耗设置方面，铁心损耗计算时考虑定、转子铁心，涡流损耗计算时考虑定、转子铁心以及磁钢表面涡流损耗影响。

2.2.3 设定边界条件

在仿真时，各方案设定相同的边界条件：电机额定转速为2 000 r/min，最高转速为10 000 r/min,电机定子相同，且线电流峰值按Imax=141.4 A(有效值为100 A)，电机弱磁初始角按45°进行扫描分析。

3 结果对比与数据分析

3.1 结果对比

针对5种不同转子拓扑结构方案，通过相关软件进行仿真计算，首先进行反电动势值、凸极比的计算，然后通过场路结合的方法，进行效率、转矩、转速等外特性的计算对比。在特性计算时，结合应用工程实际，为了能有效地利用内置式永磁同步电动机的凸极效应，发挥其固有机械特性，在仿真计算采用的控制策略是“恒转矩区域采用单位电流最大转矩控制，恒功率区则采用弱磁控制”。计算的效率MAP图谱如图3～图7所示。

图3 方案1[三角形转子，ρ=2.29，KE=152.6 V/(kr·min-1)]

图4 方案2[混合型转子，ρ=0.613，KE=147.46 V/(kr·min-1)]

图5 方案3[切向型转子，ρ=1.75，KE=147.3 V/(kr·min-1)]

图6 方案4[V字形转子，ρ=2.6 ，KE=181.3 V/(kr·min-1)]

图7 方案5[一字形转子，ρ=2.3，KE=168.3 V/(kr·min-1)]

将图3～图7的计算结果汇总，总结出如图8所示的T-n曲线对比图。从中可以看出，相同定子参数下，不同转子在恒转矩区能产生的转矩大小排序如下：

TV字形>T一字形≈T三角形>T混合型>T切向型

在相同定子参数下，不同转子在恒功率区能产生的最大功率大小排序如下：

PV字形>P一字形≈P三角形>P混合型>P切向型

图8 不同方案T-n曲线对比

3.2 数据分析

针对不同转子方案的数据汇总，计算出各不同方案参数，如表2所示。

表2 不同转子方案计算结果对比

为了更好地分析问题，我们将计算结果进一步对比，分别计算单位体积磁钢能产生的功率和反电动势系数值，具体结果如表3所示。

表3 单位体积磁钢性能对比

从表3可以看出，对于凸极比接近的方案1和方案5，方案1的指标明显不如方案5。再从方案2、方案3和方案4对比来看，凸极比小于1的转子相对凸极比大于1的转子明显没有优势；相反，凸极比大于1的转子结构有转子材料利用率高的优势。

综合比较：

凸极比最优前三方案排序：方案4>方案5≥方案1；

单位体积磁钢材料利用率最优前三方案排序：方案3>方案5>方案4；

转矩、功率最大前三方案排序：方案4>方案1>方案5；

线反电动势磁钢体积比前三方案排序：方案3>方案5>方案4；

综上，根据大数据计权排名原则，方案4无论是功率密度还是转矩密度都有竞争优势，其单位体积磁钢产生的反电动势系数值也较高，是5种方案中最优方案之一。

4 结语与展望

本文以永磁同步电动机的研究现状为背景，分别介绍了永磁同步电动机转子凸极比、永磁同步电动机基本向量图等基础理论，并结合电磁耦合原理介绍了永磁同步电动机电磁转矩方程，研究了电磁转矩与磁链、凸极比的理论关系。

然后以某汽车用永磁同步电动机案例为研究对象，对5种不同内置式转子结构方案进行了效率功率图仿真计算，并结合单台电机磁钢总用量，分别计算各方案单位永磁材料产生的功率、转矩、反电动势值等，进而分析了不同结构转子的性价比，最终确定了V字形结构是5种方案中较有优势的设计方案。

从本文的分析过程中可以发现，在相同条件下，对于内置式永磁同步电动机，提高每极磁通、提高凸极比仍然是提高功率、转矩密度的首要手段。

从本文的分析过程中可以发现，永磁同步电动机在提高性能的同时，兼顾成本控制问题仍是高性能永磁电机绕不过去的弯，性能成本兼优的电机才是市场的必然选择。

永磁同步电动机与控制密切相关，永磁同步电动机及其控制共同组成工业自动化驱动系统。在永磁同步电动机优化过程中，需综合考虑控制策略，比如最大转矩电流比控制、弱磁控制、最大效率控制等。

针对本文的具体案例，单独某一种转子结构方案(比如V字形转子方案)还不能完全满足驱动系统要求，后面可以结合切向、混合型转子结构进一步优化，这需要从电机本体、驱动、以及多物理场耦合等不同维度去研究，最终开发出符合市场规律的电机驱动系统产品。