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汽车|混合式磁钢转子结构的电动车用永磁磁阻电机优化设计


作者 | 周金城 ， 崔 巍/上海大学
来源 | EDC电驱未来
相比于普通工业用电机 ， 电动车用电机有着以下特性需求：高功率和转矩密度；较宽的调速范围；起动时能够输出较大转矩；高可靠性和鲁棒性；转矩脉动和振动噪声小；成本低等 。 稀土永磁同步电机满足了以上大部分的需求 。 但近年来我国稀土产量和出口量不断下滑 ， 需求量随着新能源汽车发展而不断攀升 ， 导致稀土材料价格水涨船高 ， 稀土永磁电机的成本不断提升 。 因此 ， 设计少稀土永磁电机成为当今电机设计中的热门课题 。 国内外的专家学者开始重点关注永磁磁阻电机、同步磁阻电机、开关磁阻电机这类少稀土和无稀土永磁电机 。
汽车|混合式磁钢转子结构的电动车用永磁磁阻电机优化设计
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开关磁阻电机具有结构简单牢固、起动转矩高、调速范围广、容错能力强和低成本的优势 ， 使其理论上非常适用于电动汽车 。 但在目前实际电动车用驱动系统中 ， 开关磁阻电机的运用却较少 ， 这与其本身固有的一些缺陷有关：开关磁阻电机在换相过程中 ， 绕组电流急剧变化 ， 会引起较大的振动噪声；转矩密度和功率因数较低 ， 转矩脉动大 。 虽然电机本体成本低廉 ， 但开关磁阻电机需用到特殊的功率变换装置 ， 使其驱动控制系统成本偏高 。
同步磁阻电机因其调速范围广、加工简单、成本低廉近年来备受学者关注 。 与开关磁阻电机相比 ， 同步磁阻电机在转矩脉动、振动噪声方面占据优势 ， 但其驱动电路需采用六桥臂逆变器 ， 使同步磁阻电机控制成本更高、难度更大；在转矩密度、效率及功率因数方面 ， 同步磁阻电机较永磁同步电机存在差距；转矩脉动过大问题也是限制同步磁阻电机在电动车驱动系统中应用的重要因素 。
永磁磁阻电机是同步磁阻电机的一种改进形式 。 由于其转矩密度和功率密度高、凸极比大、调速性能优异、效率高 ， 且使用较少永磁体材料 ， 成本低廉 ， 近年来被广泛应用于包含电动汽车在内的各个领域中 。 但永磁磁阻电机同样存在转矩脉动过大的问题 。
至此 ， 针对目前电动车用电机的稀土永磁成本过高的问题 ， 本文提出了一种新型永磁磁阻电机 ， 采用钕铁硼和铁氧体混合式磁钢转子结构 。 基于有限元仿真软件JMAG ， 重点分析研究了新型永磁磁阻电机与原全钕铁硼永磁同步电机在额定点转矩、磁阻转矩和凸极比上的差异 。 针对新型电机反电动势谐波含量过高、转矩脉动过大和转矩输出能力不足的问题 ， 进一步提出一种切向混合式磁钢转子结构 ， 分析优化了切向混合磁钢比例和位置参数 。 最终得到的新型永磁磁阻电机同时具有较高输出转矩、低转矩脉动、高凸极比和低廉的成本 。 借助JMAG-RT模块生成新型永磁磁阻电机有限元模型 ， 搭建JMAG-MATLAB-PSPICE联合仿真平台 ， 仿真分析新型电机在接近实际控制环境下的运行情况 。
1 混合式磁钢转子永磁同步磁阻电机方案设计
内置式永磁同步电机拥有较高功率密度和优秀的弱磁扩速能力 。 图1为本文采用的全钕铁硼电动车用永磁同步电机结构 ， 表1为电机主要性能指标 。 将原电机模型命名为HM1 。
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图1 电动车用永磁同步电机HM1
表1 电动车用永磁同步电机性能指标
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使用铁氧体加钕铁硼磁极组合替换原电机中三块钕铁硼材料 ， 组合方案分别命名为HM2 ， HM3 。 图2为混合式磁钢电机八分之一转子模型 ， 其中灰色表示钕铁硼材料 ， 黑色表示铁氧体材料 。 在JMAG仿真软件中建立有限元模型 ， 分别在空载工况和额定负载工况下进行仿真分析 。


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