在工程應(yīng)用中，汽車(chē)用永磁同步電動(dòng)機(jī)定子采用直槽結(jié)構(gòu)，定轉(zhuǎn)子槽極配合為8極48槽，基于該種結(jié)構(gòu)的永磁轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)不同的凸極比，其外特性如何、磁鋼用量多少、哪種形式轉(zhuǎn)子性能最優(yōu)、是否符合高性?xún)r(jià)比要求，本文將針對(duì)這些熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的分析。

1 基本原理

永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)由定子(包括定子鐵心、線(xiàn)圈、機(jī)殼等)、永磁轉(zhuǎn)子(包括轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體、轉(zhuǎn)軸等)、前后端蓋、軸承、接線(xiàn)盒以及反饋組件等多個(gè)主要零部件組成。

永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁原理與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)類(lèi)似。永磁同步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的思想，將三相定子電流進(jìn)行解耦，分解成專(zhuān)用于勵(lì)磁的直軸分量，以及專(zhuān)用于產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩的交軸分量，兩種分量互相獨(dú)立互不耦合。

對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，定子影響主要體現(xiàn)在定子繞組分布情況、定子槽數(shù)等，這與異步電機(jī)區(qū)別不大；而轉(zhuǎn)子的影響則體現(xiàn)在整個(gè)磁路上，不同結(jié)構(gòu)的永磁轉(zhuǎn)子對(duì)電機(jī)性能影響極大。永磁轉(zhuǎn)子按結(jié)構(gòu)一般分為表貼式和內(nèi)置式兩種，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，本文以?xún)?nèi)置式轉(zhuǎn)子為研究點(diǎn)進(jìn)行展開(kāi)。

永磁同步電動(dòng)機(jī)凸極比ρ一般指交直軸電感(或者是電抗)之比。即：

(1)

表貼式交直軸電感接近相等，其凸極比ρ=1；而內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子中的排布，形成多種不同凸極比的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，主要分為ρ>1和ρ<1兩種情況。

永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本向量關(guān)系如圖1所示。

圖1 永磁同步電動(dòng)機(jī)基本向量圖

根據(jù)圖1的向量關(guān)系及永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁原理，得到電磁轉(zhuǎn)矩Te的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：p為極對(duì)數(shù)；β為弱磁角；ψf為永磁磁鏈；Ia為定子電流；

從式(2)中可以看出，內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩由永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩兩部分組成。永磁轉(zhuǎn)矩與弱磁角成余弦關(guān)系，且與勵(lì)磁磁鏈成正比；而磁阻轉(zhuǎn)矩與兩倍弱磁角成正弦關(guān)系，還與交直軸電感之差成正比。

由電機(jī)電磁場(chǎng)理論有：

ψf=NΦ=NBS

(3)

式中：N為每極線(xiàn)圈匝數(shù)；B為每極氣隙磁密；S為每極磁通面積。又根據(jù)電感差：

(Lq-Ld)∝ρ

(4)

不計(jì)弱磁角度、極對(duì)數(shù)以及電樞電流影響，最終可以推得：

Te∝BSN

(5)

Te∝ρ

(6)

從式(3)～式(6)可以看出，內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與永磁電機(jī)每極線(xiàn)圈匝數(shù)、每極氣隙磁密、每極磁通面積以及凸極比成正相關(guān)關(guān)系。

2 研究方法及過(guò)程

2.1 研究方法

本文以某款國(guó)產(chǎn)汽車(chē)電機(jī)的主體結(jié)構(gòu)為例，其具體性能參數(shù)指標(biāo)如表1所示，進(jìn)行典型規(guī)格優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表1 某款國(guó)產(chǎn)汽車(chē)電機(jī)性能指標(biāo)參數(shù)

在研究過(guò)程中，先結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，設(shè)定相同的定子參數(shù)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合理論研究成果，采用磁鏈、凸極比均有所不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真對(duì)比，匯總數(shù)據(jù)。然后針對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別計(jì)算最大輸出功率、最大轉(zhuǎn)矩、反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)KE值以及永磁體體積，并分別計(jì)算功率磁鋼體積比、轉(zhuǎn)矩磁鋼體積比、以及反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)磁鋼體積比，比較各轉(zhuǎn)子方案性能優(yōu)勢(shì)及經(jīng)濟(jì)性。

2.2 研究過(guò)程

2.2.1 建立模型

根據(jù)表1的性能指標(biāo)，進(jìn)行5種轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的計(jì)算：三角形、混合型、切向型、V字形及一字形等，具體結(jié)構(gòu)及交直軸分布如圖2所示。

圖2 不同轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及交直軸分布

按圖2的轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建模，槽極配合為經(jīng)典的8極48槽，定子繞組形式采用1～6的分布式雙層繞組。

2.2.2 設(shè)定激勵(lì)條件

根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)工作原理，設(shè)定電機(jī)定子輸入電流為三相正弦電流，具體激勵(lì)表達(dá)式如下：

iA=Imaxsin(2πft+β)

iB=Imaxsin(2πf t+β-2π/3)

iC=Imaxsin(2πf t+β+2π/3)

式中：Imax為電機(jī)線(xiàn)電流峰值；f為電流頻率；t為時(shí)間；β為弱磁角。

在上述激勵(lì)條件下考慮損耗設(shè)置方面，鐵心損耗計(jì)算時(shí)考慮定、轉(zhuǎn)子鐵心，渦流損耗計(jì)算時(shí)考慮定、轉(zhuǎn)子鐵心以及磁鋼表面渦流損耗影響。

2.2.3 設(shè)定邊界條件

在仿真時(shí)，各方案設(shè)定相同的邊界條件：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速為10 000 r/min,電機(jī)定子相同，且線(xiàn)電流峰值按Imax=141.4 A(有效值為100 A)，電機(jī)弱磁初始角按45°進(jìn)行掃描分析。

3 結(jié)果對(duì)比與數(shù)據(jù)分析

3.1 結(jié)果對(duì)比

針對(duì)5種不同轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案，通過(guò)相關(guān)軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，首先進(jìn)行反電動(dòng)勢(shì)值、凸極比的計(jì)算，然后通過(guò)場(chǎng)路結(jié)合的方法，進(jìn)行效率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等外特性的計(jì)算對(duì)比。在特性計(jì)算時(shí)，結(jié)合應(yīng)用工程實(shí)際，為了能有效地利用內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的凸極效應(yīng)，發(fā)揮其固有機(jī)械特性，在仿真計(jì)算采用的控制策略是“恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域采用單位電流最大轉(zhuǎn)矩控制，恒功率區(qū)則采用弱磁控制”。計(jì)算的效率MAP圖譜如圖3～圖7所示。

圖3 方案1[三角形轉(zhuǎn)子，ρ=2.29，KE=152.6 V/(kr·min-1)]

圖4 方案2[混合型轉(zhuǎn)子，ρ=0.613，KE=147.46 V/(kr·min-1)]

圖5 方案3[切向型轉(zhuǎn)子，ρ=1.75，KE=147.3 V/(kr·min-1)]

圖6 方案4[V字形轉(zhuǎn)子，ρ=2.6 ，KE=181.3 V/(kr·min-1)]

圖7 方案5[一字形轉(zhuǎn)子，ρ=2.3，KE=168.3 V/(kr·min-1)]

將圖3～圖7的計(jì)算結(jié)果匯總，總結(jié)出如圖8所示的T-n曲線(xiàn)對(duì)比圖。從中可以看出，相同定子參數(shù)下，不同轉(zhuǎn)子在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)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

在相同定子參數(shù)下，不同轉(zhuǎn)子在恒功率區(qū)能產(chǎn)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

圖8 不同方案T-n曲線(xiàn)對(duì)比

3.2 數(shù)據(jù)分析

針對(duì)不同轉(zhuǎn)子方案的數(shù)據(jù)匯總，計(jì)算出各不同方案參數(shù)，如表2所示。

表2 不同轉(zhuǎn)子方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

為了更好地分析問(wèn)題，我們將計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步對(duì)比，分別計(jì)算單位體積磁鋼能產(chǎn)生的功率和反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)值，具體結(jié)果如表3所示。

表3 單位體積磁鋼性能對(duì)比

從表3可以看出，對(duì)于凸極比接近的方案1和方案5，方案1的指標(biāo)明顯不如方案5。再?gòu)姆桨?、方案3和方案4對(duì)比來(lái)看，凸極比小于1的轉(zhuǎn)子相對(duì)凸極比大于1的轉(zhuǎn)子明顯沒(méi)有優(yōu)勢(shì)；相反，凸極比大于1的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有轉(zhuǎn)子材料利用率高的優(yōu)勢(shì)。

綜合比較：

凸極比最優(yōu)前三方案排序：方案4>方案5≥方案1；

單位體積磁鋼材料利用率最優(yōu)前三方案排序：方案3>方案5>方案4；

轉(zhuǎn)矩、功率最大前三方案排序：方案4>方案1>方案5；

線(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)磁鋼體積比前三方案排序：方案3>方案5>方案4；

綜上，根據(jù)大數(shù)據(jù)計(jì)權(quán)排名原則，方案4無(wú)論是功率密度還是轉(zhuǎn)矩密度都有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，其單位體積磁鋼產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)值也較高，是5種方案中最優(yōu)方案之一。

從本文的分析過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，對(duì)于內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)，提高每極磁通、提高凸極比仍然是提高功率、轉(zhuǎn)矩密度的首要手段。

從本文的分析過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，永磁同步電動(dòng)機(jī)在提高性能的同時(shí)，兼顧成本控制問(wèn)題仍是高性能永磁電機(jī)繞不過(guò)去的彎，性能成本兼優(yōu)的電機(jī)才是市場(chǎng)的必然選擇。

永磁同步電動(dòng)機(jī)與控制密切相關(guān)，永磁同步電動(dòng)機(jī)及其控制共同組成工業(yè)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在永磁同步電動(dòng)機(jī)優(yōu)化過(guò)程中，需綜合考慮控制策略，比如最大轉(zhuǎn)矩電流比控制、弱磁控制、最大效率控制等。