混合式永磁同步电机转子磁路结构研究
本文以一台实际使用的电动汽车用52 kW永磁同步电机为研究目标，针对由铁氧体和钕铁硼两种永磁材料组成的混合式永磁同步电机的转子磁路结构开展了相关研究。采用有限元方法，侧重对比分析了“U”形、“C”形磁障结构下，不同磁障结构参数对电机输出转矩能力的影响。结合电动汽车驱动电机的性能要求，对比“C”+“一”、“C”+“V”等形式的磁路结构，得出双层“C”+“V”形式的转子磁路结构，混合使用铁氧体和钕铁硼两种磁材，可以在基本满足当前汽车驱动电机使用要求的情况下，明显降低电机成本。
通过电机学的原理性分析，可得到永磁同步电机在d,q,o坐标系下的转矩表达式：
Tem=pψfiq+p(Ld-Lq)idiq
(1)
由式(1)可见，永磁同步电机的输出转矩有两个分量:第一个分量是电机的永磁转矩Tm，表征了电机永磁体励磁磁链所产生的转矩；第二个分量为电机的磁阻转矩Tr，表征了因电机交直轴磁路结构不对称所产生的转矩。
对于永磁磁阻电机，增加多层磁障后，电机交直轴的磁阻将随之改变，也就是电机的凸极率随之改变，进而影响电机的磁阻转矩占比。需要注意的是当交直轴电感的差值改变，而不是单纯增加直轴电感或者减少交轴电感时，磁阻转矩值才会改变。而电机的功率因数也将随着交轴电感与直轴电感比值的增大而增大。
由式(1)的分析还可知，在保证电机输出转矩不变的情况下，如果通过改变电机磁路结构，来提升电机磁阻转矩的比例，可以相应地降低永磁转矩的比例，即减少电机永磁体用量。在保证电机转矩密度不变的情况下，减少永磁体用量，提升磁阻转矩在总输出转矩中的占比，并确保电机性能及退磁特性满足电动汽车使用要求，即为本文研究的目标。
图1展示了永磁磁阻电机的典型结构。磁障类似于常规永磁电机的磁钢槽，永磁体置于磁障之中，为提高磁阻转矩的利用率，同步磁阻电机的磁障一般设计为多层结构。本文定义靠近气隙的磁障为第一层磁障，磁障径向宽度W为磁障宽度，为简化分析，本文设定每层磁障的宽度一致，由一层至三层的磁障宽度分别为W1，W2，W3。定义两层磁障之间硅钢片区域为磁障间隔，其宽度为磁障间隔宽度，每层磁障间隔宽度一致，由一层磁障至三层磁障之间分别为H1，H2。定义转子圆心到磁障中间段下沿的距离为磁障深度D，由一层到三层的磁障深度分别为D1，D2，D3。
图1 永磁磁阻电机结构示意图
本文以一台52 kW电动汽车用混合式永磁同步电机为研究目标，电机的基本参数如表1、表2所示。
表1 电机基本性能参数
表2 电机基本结构参数
2.1 磁障形状的影响分析
以前述52 kW样机为例，在电机定转子直径及其他结构参数不变的情况下，根据同步磁阻电机的设计方法，研究电机磁障结构参数对电机最大输出转矩能力的影响。在此基础上，在磁障中插入永磁体，研究此时永磁电机的输出转矩能力，进而总结相应的优化设计规律。目前，国内的乘用车驱动电机的功率主要集中在50～150 kW之间，转速集中在10 000～16 000 r/min之间，电机的定子外径尺寸主要集中在180～220 mm之间。因此，磁障层数及结构参数是对磁阻转矩比例影响较大的因素，但需要注意的是，改变电机磁障层数，电机的转子机械结构强度也可能随之改变。在实际电机设计过程中，需关注最高转速下，电机强度是否满足工作要求，因篇幅所限，本文不展示强度的校核计算结果。
结合同步磁阻电机的研究成果分析可知，对于中小型永磁磁阻电机，其转子磁障层数为二层或三层较为合理。如果继续增加磁障层数，一方面电机加工工艺难度增加；另一方面因磁路饱和程度加剧，磁体的利用率将下降，对电机输出转矩提升的辅助作用有限。如果减少为单层磁障，与普通永磁电机相似，很难大幅度提升电机的凸极性，进而较好地利用电机的磁阻转矩。因此，本文以二层及三层磁障结构为例，对电机磁障结构开展分析研究，总结各结构参数对相同体积下，电机最大输出转矩能力的影响程度，进而得到相应的设计方法。
对于同步磁阻电机而言，较为常见的转子磁路结构可分为“C”形磁路结构和“U”形磁路结构两大类别。本文利用同步磁阻电机的设计方法，在保证“C”形和“U”形磁障结构的极弧系数、磁障深度、磁障宽度等参数一致的前提下，优化两个方案的输出转矩，两者输出同样的转矩时，考察两者的磁密分布。
三层磁障的永磁同步磁阻电机，磁障中不插入永磁体时可视为同步磁阻电机来进行分析，其“U”形与“C”形磁障结构及转子磁密分布如图2所示。
(a) “U”形磁障结构
(b) “U”形磁障结构
图2 转子磁密分布
由两种结构的磁密分布分析可见，两种方案下，转子磁密分布状况接近，“U”形磁障结构的转子磁密饱和程度略高，“C”形磁障结构下，磁障间隔内硅钢片的磁密分布均匀性略好，具备插入永磁体后进一步优化设计及提升转矩密度的潜力。另外，“C”形磁障与“U”形磁障相比，在磁障深度、极弧系数一致时，可插入更多的永磁体，通过进一步优化设计磁障形状，调整交直轴磁路面积来充分利用磁阻转矩，进而提升电机的功率密度。
在磁障中插入永磁体后，通过分析可知，当电机其他结构参数不变时，为了安装同样的磁体，“U”形磁障将增大，磁障之间的局部饱和程度将进一步增加，其产生输出转矩的能力提升空间有限。因此，本文将针对“C”形结构的永磁磁阻电机的首选方案开展进一步设计研究。
2.2 转子磁障结构参数的影响分析
当单纯提升电机磁障层数时(磁障中不插入永磁体)，电机交直轴磁路面积都受到影响。前述结构中，直轴磁阻所受影响更为显著，电机直轴电感将随之改变，而此时电机没有永磁体励磁，在输出相同转矩情况下，磁阻转矩占比将随之增加，但考虑到磁路饱和效应等因素影响，电机存在输出转矩的上限，即电机转矩密度达到一定数值后将无法提升。此时，可考虑在电机磁障中插入永磁体来提升电机励磁能力，也就是提升电机的永磁转矩，以增加电机的转矩密度。
以52 kW样机，三层“C”形磁障结构为例，首先磁障中不插入永磁体时，即使用同步磁阻电机的分析方法。当磁障层数、磁障间隔宽度及电机极弧系数不变时，考核磁障深度D对输出转矩的影响，当磁障深度D由初始值位置向靠近圆心方向移动，D减小，为便于直观考核D的影响，以D的变化值为衡量指标，本算例中，设置D的变化值范围为0.6～1.2 mm，电机最大输出转矩随D变化规律如图3所示。
图3 电机最大输出转矩随磁障深度变化图
由以上计算结果可见，随着磁障深度增大，磁障逐渐向转子圆心方向移动，电机的最大输出转矩逐渐减小，并且存在一个拐点使转矩明显降低，此时，转矩的变化区间约为12.8 N·m。
分析样机磁路结构特征可知，磁障中不插入永磁体时，磁障深度减小，因直轴磁路面积相对较小，其受影响更显著，直轴磁阻将增大，而交轴磁路变化相对较小，交直轴电感差值将增大，电机的磁阻转矩将增大，拐点的产生则与磁路的饱和情况有关。
在此基础上，磁障中插入永磁体，在保证永磁体用量不变的条件下，电机的最大输出转矩随磁障深度变化值的改变规律，如图4所示。
图4 电机最大输出转矩随磁障深度变化图
由图4可见，此时电机输出转矩的变化规律与磁障中不插入永磁体时基本一致，但由于永磁转矩的影响，降低了磁阻转矩在总转矩中的占比，此时转矩的变化区间约为15.9 N·m。
同样，当磁障中不插入永磁体，磁障层数、磁障深度不变的情况下，考核磁障间隔宽度H对电机输出转矩的影响。即考核电机磁障宽度与磁障间隔宽度比例关系对输出转矩的影响，此时，电机的最大输出转矩随H的变化，如图5所示。
图5 电机最大输出转矩随磁障间隔宽度变化图
由以上计算结果可见，随着磁障间隔宽度的增大，电机直轴磁路变宽，电机输出转矩先增大，但随着其进一步加大，交轴宽度也增大，交直轴电感差值变小，电机的输出转矩减小。因此，存在最优化设计点使输出转矩最大。此时，转矩的变化区间约为1.25 N·m，这是因为为提升电机功率密度，转子磁路接近饱和，调整磁障间隔宽度对磁路的影响已经相对较小。
在此基础上，磁障中插入永磁体，在保证永磁体用量不变条件下，电机的最大输出转矩随磁障间隔改变规律，如图6所示。
图6 电机最大输出转矩随磁障间隔宽度变化图
由图6可见，此时电机输出转矩的变化规律与磁障中不插入永磁体时基本一致，随着磁障间隔宽度的增大，电机的输出转矩仍呈现先增大后减小的趋势，即设计中，存在最优化设计点。与无永磁体状态对比可见，过最优点后，最大转矩的下降趋缓，此时转矩的变化区间约为2.9 N·m。由此可认为，磁障与磁障宽度存在一个最优值或最优区间，使电机输出转矩较大，但该因素对转矩的总体影响有限。
除此之外，电机磁障的极弧系数对输出转矩也有着较为明显的影响。在永磁体长度随之改变的情况下，极弧系数增大，永磁体用量增多，电机永磁转矩则明显增大，电机的总输出转矩进而增大。因其结论与同步磁阻电机一致，在此不做赘述。
由以上分析可得到结论：
1) 考虑到车用永磁电机的应用需求，“C”形磁障结构转子的磁密分布均匀并且易于插入更多的磁体，有利于提升电机的功率密度，在满足加工要求条件下可优先考虑使用；
2) 磁障中插入永磁体后，磁障宽度与磁障间隔宽度比例对电机最大输出转矩有一定的影响，且存在最优比例，使电机在相同永磁体用量下，输出转矩最大，考虑到磁路结构的差异性，不同电机的最优比例将有所差异，电机设计中应结合磁路饱和情况，在一定范围内进行寻优设计；
3) 磁障深度对电机输出转矩有非常明显的影响，且磁阻转矩占比越大时，该影响也越明显，电机设计中，应予以重点优化设计；
4) 总输出转矩一定时，如果永磁转矩占比接近50%，则永磁体用量将成为对电机总输出转矩影响最大的因素，随着永磁体用量的提升，磁障结构优化对输出转矩的影响将逐渐减小，永磁体的实际用量应结合电机转矩密度要求进行综合优化设计；
5) 混合式永磁同步电机中，钕铁硼永磁体作为辅助提升功率密度的手段，一般仅在第一层磁障中少量使用，设计中应优先调整磁障结构参数，以提升磁阻转矩占比。
开展永磁磁阻电机研究时可以发现，单纯使用铁氧体永磁体励磁时，电机存在转矩密度很难达到当前汽车驱动电机要求的问题，而且由于铁氧体本身磁材特性，容易产生退磁现象。
因此，考虑开展混合式永磁磁阻电机的设计，即在永磁磁阻电机的转子磁路结构中，使用铁氧体永磁体和钕铁硼稀土永磁体两种材料，提升电机永磁转矩比例，进而提升永磁同步电机的转矩密度。同时，利用铁氧体与钕铁硼温度系数相反的特性，提高该类电机高温下的性能，降低退磁风险。
以常见的铁氧体及钕铁硼永磁体为例，两者的性能数据如表3所示。
表3 典型铁氧体与钕铁硼永磁体性能对比
考虑永磁体的加工工艺，铁氧体永磁材料易加工成弧形结构，而钕铁硼稀土永磁材料则更适合加工为长方体结构。因此，混合式永磁磁阻电机更适合使用“C”+“V”结构或“C”+“一”结构。本文在所研制电机的首层磁障中添加钕铁硼永磁体，为寻求使用最少永磁体，得到最大输出转矩的最优化设计，研究了三层“C”+“一”形结构、三层“C”+“V”形结构及两层“C”+“V”形结构的混合式永磁磁阻电机，模型示意及计算结果如图7所示。为降低电机制造成本，各层磁障内部材料未做特殊说明的均为铁氧体磁材。
图7 三层“C”+“一”形磁障结构模型
图8(a)～图8(c)分别展示了在第一层磁障中添加空气、铁氧体、钕铁硼时电机的磁密分布。图8(d)为不同磁障填充材料对应的电机最大输出转矩。可见，首层磁障中添加不同的材料时，虽然磁障面积很小，但对电机最大输出转矩仍然有较为明显的影响，转矩的变化范围达到约11 N·m。因此，可考虑在第一层磁障中使用钕铁硼永磁体来提升电机的转矩密度。
(a) 首层磁障为空气的电机磁密分布
(b) 首层磁障插入铁氧体的电机磁密分布
(c) 首层磁障插入钕铁硼的电机磁密分布
(d) 不同类型首层磁障对应的输出转矩
图8 三层“C”+“一”结构，电机不同磁障填充材料磁密及输出转矩图
另外，当首层磁障由“C”形改为“一”形后，磁体用量下降较多，虽然钕铁硼磁性能增加，但对整体输出转矩的提升有限。可见，在电机经过初步优化设计后，电机凸极性基本确定，此时，为提升电机的转矩密度，永磁转矩变为电机设计关键，随着电机功率密度提高，永磁转矩将逐渐起到关键作用。
为进一步提升电机的转矩密度，考核提升钕铁硼永磁体的用量，将首层磁障设计为“V”形，提升永磁体用量对输出转矩的影响。考虑到高速下的应力分布，将二三层磁障设计为分段结构，电机模型及计算结果如图9所示。
(a) 三层“C”+“V”磁障结构模型
(b) 电机磁密分布
图9 三层“C”+“一”磁障结构，电机模型、磁密分布图
此时的电机总输出转矩经优化设计后达到112.3 N·m，较原首层为“一”形结构磁障有明显提升，进一步增加了电机的转矩密度。
在此基础上，为使电机的设计更为接近实际应用要求，进一步提升电机的转矩密度，考虑适当增大永磁转矩占比，当提升首层钕铁硼用量时，意味着磁障间隔处磁密饱和程度增加，为了更好地分配永磁转矩与磁阻转矩，缩减电机磁障层数为两层；同时，在满足使用要求下，适当增加电机的铁心长度，将混合式永磁电机体积与原型机保持一致，电机的模型和计算结果如图10所示。
(a) 电机二层“C”+“V”形磁路结构模型
(b) 电机磁密分布
图10 二层“C”+“V”磁障结构，电机模型、磁密分布图
最终，当保持优化设计后的电机体积与原型机一致时，电机的最大输出转矩达到162.6 N·m，电机磁阻转矩占比约为42.6%，已基本满足驱动电机设计需求。校核混合式永磁电机的退磁情况，需要考虑不同磁材的磁特性，要分别校核钕铁硼材料的高温退磁情况和铁氧体材料的低温退磁情况。本文校核了钕铁硼永磁体160 ℃的高温退磁情况，铁氧体磁材-20 ℃的低温退磁情况。经计算，不同磁材的退磁特性如图11、图12所示。
图11 钕铁硼永磁体高温退磁计算
图12 铁氧体永磁体低温退磁计算 由以上计算可见，此时电机高温及低温均没有明显的退磁现象，可以满足电机的基本使用。
由表4可见，相同输出转矩下，保持混合式永磁电机与原型机的体积、定子外径、铁心长度等参数均一致的条件下，使用混合式永磁电机后，永磁体的价格将下降336.3元，下降比例达到56.5%。
表4 混合式永磁电机成本比较
本文首先研究了磁阻转矩对永磁电机输出转矩影响，从原理上分析了调整电机转子磁路结构对改变磁阻转矩占比，提升电机功率密度的可行性。针对“C”形及“U”形磁障结构的永磁同步电机磁障形状进行研究分析，发现二、三层磁障结构车用驱动电机，“C”形磁障结构更适合高功率密度设计。通过对磁障深度、磁障宽度与磁障间隔宽度的研究，发现磁障深度对输出转矩影响相对较大，磁障宽度及间隔宽度存在一个最优区间，使电机的输出转矩达到最大值。最后针对使用铁氧体与钕铁硼两种永磁材料的混合式永磁电机，研究了“C”+“一”形三层磁障转子结构、“C”+“V”形三层磁障转子结构及“C”+“V”形两层磁障转子结构特性，得出首层少量使用钕铁硼，二层使用铁氧体的“C”+“V”形两层磁障转子结构基本满足当前车用驱动电机的性能及功率密度要求，两种磁材的结合使电机退磁特性有所提升，也可以弥补单一铁氧体磁材功率密度不足、单一钕铁硼永磁体高温性能下降明显等问题。混合式永磁电机的使用也将显著降低电机的制造成本。
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