作者：周金城，崔 巍丨上海大學(xué)?

相比于普通工業(yè)用電機(jī)，電動(dòng)車用電機(jī)有著以下特性需求：高功率和轉(zhuǎn)矩密度；較寬的調(diào)速范圍；起動(dòng)時(shí)能夠輸出較大轉(zhuǎn)矩；高可靠性和魯棒性；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和振動(dòng)噪聲小；成本低等。稀土永磁同步電機(jī)滿足了以上大部分的需求。但近年來我國稀土產(chǎn)量和出口量不斷下滑，需求量隨著新能源汽車發(fā)展而不斷攀升，導(dǎo)致稀土材料價(jià)格水漲船高，稀土永磁電機(jī)的成本不斷提升。因此，設(shè)計(jì)少稀土永磁電機(jī)成為當(dāng)今電機(jī)設(shè)計(jì)中的熱門課題。國內(nèi)外的專家學(xué)者開始重點(diǎn)關(guān)注永磁磁阻電機(jī)、同步磁阻電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)這類少稀土和無稀土永磁電機(jī)。

開關(guān)磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單牢固、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、調(diào)速范圍廣、容錯(cuò)能力強(qiáng)和低成本的優(yōu)勢(shì)，使其理論上非常適用于電動(dòng)汽車。但在目前實(shí)際電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)用卻較少，這與其本身固有的一些缺陷有關(guān)：開關(guān)磁阻電機(jī)在換相過程中，繞組電流急劇變化，會(huì)引起較大的振動(dòng)噪聲；轉(zhuǎn)矩密度和功率因數(shù)較低，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大。雖然電機(jī)本體成本低廉，但開關(guān)磁阻電機(jī)需用到特殊的功率變換裝置，使其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)成本偏高。

同步磁阻電機(jī)因其調(diào)速范圍廣、加工簡單、成本低廉近年來備受學(xué)者關(guān)注。與開關(guān)磁阻電機(jī)相比，同步磁阻電機(jī)在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、振動(dòng)噪聲方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但其驅(qū)動(dòng)電路需采用六橋臂逆變器，使同步磁阻電機(jī)控制成本更高、難度更大；在轉(zhuǎn)矩密度、效率及功率因數(shù)方面，同步磁阻電機(jī)較永磁同步電機(jī)存在差距；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大問題也是限制同步磁阻電機(jī)在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用的重要因素。

永磁磁阻電機(jī)是同步磁阻電機(jī)的一種改進(jìn)形式。由于其轉(zhuǎn)矩密度和功率密度高、凸極比大、調(diào)速性能優(yōu)異、效率高，且使用較少永磁體材料，成本低廉，近年來被廣泛應(yīng)用于包含電動(dòng)汽車在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域中。但永磁磁阻電機(jī)同樣存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大的問題。

至此，針對(duì)目前電動(dòng)車用電機(jī)的稀土永磁成本過高的問題，本文提出了一種新型永磁磁阻電機(jī)，采用釹鐵硼和鐵氧體混合式磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。基于有限元仿真軟件JMAG，重點(diǎn)分析研究了新型永磁磁阻電機(jī)與原全釹鐵硼永磁同步電機(jī)在額定點(diǎn)轉(zhuǎn)矩、磁阻轉(zhuǎn)矩和凸極比上的差異。針對(duì)新型電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)諧波含量過高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大和轉(zhuǎn)矩輸出能力不足的問題，進(jìn)一步提出一種切向混合式磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，分析優(yōu)化了切向混合磁鋼比例和位置參數(shù)。最終得到的新型永磁磁阻電機(jī)同時(shí)具有較高輸出轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、高凸極比和低廉的成本。借助JMAG-RT模塊生成新型永磁磁阻電機(jī)有限元模型，搭建JMAG-MATLAB-PSPICE聯(lián)合仿真平臺(tái)，仿真分析新型電機(jī)在接近實(shí)際控制環(huán)境下的運(yùn)行情況。

1 混合式磁鋼轉(zhuǎn)子永磁同步磁阻電機(jī)方案設(shè)計(jì) ?

內(nèi)置式永磁同步電機(jī)擁有較高功率密度和優(yōu)秀的弱磁擴(kuò)速能力。圖1為本文采用的全釹鐵硼電動(dòng)車用永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，表1為電機(jī)主要性能指標(biāo)。將原電機(jī)模型命名為HM1。

圖1 電動(dòng)車用永磁同步電機(jī)HM1

表1 電動(dòng)車用永磁同步電機(jī)性能指標(biāo)

使用鐵氧體加釹鐵硼磁極組合替換原電機(jī)中三塊釹鐵硼材料，組合方案分別命名為HM2，HM3。圖2為混合式磁鋼電機(jī)八分之一轉(zhuǎn)子模型，其中灰色表示釹鐵硼材料，黑色表示鐵氧體材料。在JMAG仿真軟件中建立有限元模型，分別在空載工況和額定負(fù)載工況下進(jìn)行仿真分析。

(a) HM2

(b) HM3
圖2 混合式磁鋼永磁同步磁阻電機(jī)HM2，HM3轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖3比較了三種電機(jī)在額定工況及空載狀態(tài)下主要性能參數(shù)。HM2和HM3采用混合式磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，釹鐵硼的磁能積要優(yōu)于鐵氧體，故在稀土永磁用料降低的情況下，轉(zhuǎn)矩都有不同程度的降低。額定工況下兩混合電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分別為162.34 N·m、145.93 N·m，如圖4所示，與原電機(jī)186.6 N·m相比，分別下降了12.78%和21.6%。但稀土永磁材料用量大幅下降，電機(jī)性價(jià)比得到了有效提升。

圖3 混合磁鋼轉(zhuǎn)子電機(jī)與原電機(jī)性能參數(shù)對(duì)比

(a) HM2

(b) HM3
圖4 混合式磁鋼電機(jī)HM2和HM3平均轉(zhuǎn)矩

兩種混合式磁鋼電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分別為26.8%和27.88%，與原電機(jī)26.04%相比，略有上升，推測是由于反電動(dòng)勢(shì)中諧波含量過高導(dǎo)致。圖5和圖6

圖5 混合式磁鋼電機(jī)HM2空載反電動(dòng)勢(shì)及諧波

圖6 混合式磁鋼電機(jī)HM3空載反電動(dòng)勢(shì)及諧波

就分別提取兩種電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)波形并對(duì)其進(jìn)行了諧波分析。

HM2和HM3空載反電動(dòng)勢(shì)基波幅值分別為103.6 V和91.54 V，與原電機(jī)HM1空載反電動(dòng)勢(shì)164 V相比，有大幅降低，對(duì)反電動(dòng)勢(shì)波形進(jìn)行傅里葉分析得到其THD，HM2和HM3分別達(dá)到了24.84%和32.37%，諧波含量較高，與電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)，其中主要以3次諧波為主，占各自基波的比例為22.4%和30.27%。

齒槽轉(zhuǎn)矩大小與電機(jī)永磁磁場強(qiáng)度有關(guān)，隨著永磁材料的改變，磁場強(qiáng)度也發(fā)生了變化，電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩有不同程度的降低。由永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算式(1)可知，釹鐵硼永磁材料用量的減少會(huì)使式(1)中的永磁磁鏈λ減小，永磁轉(zhuǎn)矩會(huì)隨之降低，圖3中有限元仿真結(jié)果驗(yàn)證了此結(jié)論，HM2和HM3永磁轉(zhuǎn)矩分別下降了36.35%和48.9%,這也是額定轉(zhuǎn)矩大幅下降的主要因素。

(1)

針對(duì)永磁轉(zhuǎn)矩大幅下降導(dǎo)致總轉(zhuǎn)矩下降的問題，可通過提高磁阻轉(zhuǎn)矩進(jìn)行一定程度上的彌補(bǔ)。而在混合磁鋼轉(zhuǎn)子電機(jī)中，通過釹鐵硼和鐵氧體的合理組合，可以有效改善電機(jī)內(nèi)部磁場的分布來影響d軸、q軸電感，從而增大電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩。可從圖3中看到，兩種方案HM2和HM3q軸電感明顯上升，凸極比對(duì)比原電機(jī)的3.34增大到了3.57及3.53,提升幅度顯著，使得混合磁鋼轉(zhuǎn)子電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩利用率大幅提升。HM2和HM3磁阻轉(zhuǎn)矩對(duì)比原電機(jī)HM1分別提升了21.1%、17.67%。

2 “V”形磁鋼切向混合比例研究 ?

混合磁鋼轉(zhuǎn)子電機(jī)HM2和HM3的稀土永磁材料用量大幅降低，但作為電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，HM2和HM3在轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)性能上仍存在不足。主要原因在于兩種混合磁鋼轉(zhuǎn)子電機(jī)“V”形磁鋼兩側(cè)使用了磁性能較差的鐵氧體材料，電機(jī)磁路的飽和程度不高，因此鐵氧體材料發(fā)出的磁力線大部分匯入了徑向釹鐵硼材料的磁路，只有很少磁力線經(jīng)過釹鐵硼和鐵氧體之間的轉(zhuǎn)子氣隙，空載氣隙磁場畸變非常嚴(yán)重，進(jìn)而會(huì)加重負(fù)載氣隙磁密畸變，電機(jī)運(yùn)行時(shí)諧波增多。本節(jié)將用釹鐵硼材料替換兩塊永磁體當(dāng)中的部分鐵氧體，如圖7所示，形成切向混合磁鋼電機(jī)。其中釹鐵硼含量用X%表示，此方案不僅可以減小氣隙磁場畸變、抑制諧波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，還能增加空載反電動(dòng)勢(shì)的基波幅值，提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩的輸出能力，綜合考慮成本后擇優(yōu)選取。同時(shí)考慮到切向混合式電機(jī)兩塊“V”形磁極位置對(duì)電機(jī)性能參數(shù)有著重要影響，定義一邊磁極到電機(jī)Q軸距離為P。借助有限元計(jì)算軟件JMAG 分別對(duì)以下各有限元模型進(jìn)行空載和額定負(fù)載下的仿真。

圖7 切向混合磁鋼轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)HM2設(shè)計(jì)示意圖

2.1 切向混合式磁鋼位置P優(yōu)化

首先確定“V”形磁鋼位置，選取變量P為2mm、4 mm、6 mm、8 mm。初步選定切向混合磁鋼電機(jī)釹鐵硼比例X%為40%。

如圖8所示，在采用切向混合磁鋼結(jié)構(gòu)后，兩種電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)大幅提升，且THD顯著降低，證實(shí)該方案有效性。且兩種電機(jī)均在P為6 mm處達(dá)到THD最低值，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)此時(shí)也同樣達(dá)到了最小，表明位置參數(shù)P=6 mm時(shí)抑制諧波效果最佳。同時(shí)P=6 mm 時(shí)切向混合電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩接近最大值。故位置參數(shù)P選取6 mm，此時(shí)電機(jī)性能達(dá)到了最優(yōu)。

(a) 切向HM2

(b) 切向HM3
圖8 切向混合磁鋼電機(jī)在不同P值下性能參數(shù)

2.2 切向混合磁鋼轉(zhuǎn)子釹鐵硼用量比例優(yōu)化

切向釹鐵硼含量X%的不同將很大程度地影響永磁體成本以及轉(zhuǎn)矩等性能指標(biāo)。選取釹鐵硼含量合理變化范圍在20%～60%之間。其中位置參數(shù)P=6 mm，其余參數(shù)均不變。

圖9中隨著X%的增大，切向永磁體中釹鐵硼的用量隨之增加，空載氣隙磁密的基波幅值呈上升趨勢(shì)；空載反電動(dòng)勢(shì)THD?隨X%值提升而逐漸下降，且趨勢(shì)趨于平緩，表明切向混合磁鋼結(jié)構(gòu)中X%參數(shù)在一定范圍(40%)內(nèi)對(duì)空載諧波有顯著的削弱作用。X%過大時(shí)，直軸磁路飽和程度變大，對(duì)諧波含量的抑制作用也減弱。同時(shí)切向HM2和切向HM3電機(jī)隨著X%值的增大，額定點(diǎn)的平均轉(zhuǎn)矩均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)；考慮到磁阻轉(zhuǎn)矩的占比較大和齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，額定點(diǎn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的變化趨勢(shì)為先大幅降低，而后小幅度升高。切向混合HM2在X%=30%轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)達(dá)到最低，切向混合HM3則在X%=40%時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)達(dá)到最低。

(a) 切向HM2

(b) 切向HM3
圖9 切向混合磁鋼電機(jī)在不同X%值下性能比較

綜合考慮稀土永磁用量與電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，切向混合磁鋼HM2選擇X%=30%，此時(shí)HM2與原HM2相比，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)下降13.2%，平均轉(zhuǎn)矩提升7.29 N·m，達(dá)到169.63 N·m；切向混合磁鋼HM3選擇X%=40%,此時(shí)HM3相比原HM3轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)下降16.88%，平均轉(zhuǎn)矩提升了15.27 N·m,達(dá)到161.2 N·m。圖10為最終HM2和HM3的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

(a) 切向HM2

(b) 切向HM3
圖10 切向混合磁鋼電機(jī)HM2和HM3轉(zhuǎn)子示意圖

2.3 切向混合磁鋼轉(zhuǎn)子電機(jī)性能比較

“未完成效應(yīng)”從心理的緊張系統(tǒng)是否得到解除，來解釋學(xué)生會(huì)對(duì)“未完成的課堂”記憶深刻：人們對(duì)于已完成的工作的心里緊張系統(tǒng)已經(jīng)解除，因而回憶量少，而未完成的工作所引起的心理緊張系統(tǒng)還沒有得到解除，因而回憶量較多。學(xué)生們會(huì)因“不完整課堂”心理緊張而憂心忡忡，對(duì)這樣“半途而廢”的課堂念念不忘，這樣的心理機(jī)制驅(qū)使著他們主動(dòng)地完成教學(xué)任務(wù)。

(a) 切向混合HM2

(b) 切向混合HM3
圖11 切向混合式磁鋼電機(jī)HM2和HM3平均轉(zhuǎn)矩

圖12 切向混合式磁鋼電機(jī)HM2空載反電動(dòng)勢(shì)及諧波

圖13 切向混合式磁鋼電機(jī)HM3空載反電動(dòng)勢(shì)及諧波

3 JMAG-MATLAB-PSPICE聯(lián)合仿真 ? ? ?

3.1 聯(lián)合仿真平臺(tái)

提取最終優(yōu)化得到的切向混合式磁鋼電機(jī)HM2和HM3的轉(zhuǎn)矩波形，與原混合磁鋼轉(zhuǎn)子電機(jī)相比，平均轉(zhuǎn)矩從162.34 N·m、145.93 N·m提升到了169.63 N·m、161.2 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也從26.8%、27.88%下降到了13.6%、11%。同時(shí)提取兩種電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)波形，如圖12、圖13所示，可以看到，空載反電勢(shì)基波幅值分別從103.6V和91.5V提升到了124.1V和112.3V，諧波含量也得到明顯降低，特別是三次諧波的含量，很好地解釋了兩臺(tái)電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩提升及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的降低。

首先基于MATLAB-Simulink平臺(tái)搭建電機(jī)的矢量控制算法平臺(tái)，用JMAG-RT模塊生成一臺(tái)切向混合式永磁磁阻電機(jī)HM2和原單一磁極HM1有限元模型替換MATLAB理想電機(jī)模型。利用JMAG-RT模塊導(dǎo)出電機(jī)各種工況下電磁參數(shù)數(shù)據(jù)包,以切向混合HM2為例，其部分電磁參數(shù)云圖如圖14所示。

(a)?Lq云圖

(b)?Ld云圖

(c) 磁鏈云圖

(d) 轉(zhuǎn)矩云圖
圖14 切向混合式磁鋼電機(jī)HM2電磁參數(shù)云圖

由圖14可以看出，隨著激勵(lì)源Id、Iq的變化，磁鏈參數(shù)、電感參數(shù)等均在隨之變化，這種電機(jī)模型比固定電感參數(shù)、主磁鏈參數(shù)的理想模型更為貼合實(shí)際電機(jī)，因此基于JMAG-RT電機(jī)模型的控制更能模擬實(shí)際的電機(jī)運(yùn)行狀況。

同時(shí)在PSPICE中搭建考慮開關(guān)管實(shí)際特性的逆變電路，用于替換聯(lián)合仿真平臺(tái)中逆變器。最終搭建的JMAG-MATLAB-PSPICE聯(lián)合仿真平臺(tái)如圖15所示。

圖15 JMAG-MATLAB-PSPICE聯(lián)合仿真平臺(tái)框圖

聯(lián)合仿真過程將分為空載和額定負(fù)載兩部分，在0.4 s加入額定負(fù)載。

3.2 仿真結(jié)果

圖16為聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看到，在采用了考慮開關(guān)管實(shí)際工作情況的PSPICE逆變電路后，HM1和切向混合HM2額定工況下電流峰值為240 A和246 A，均大于電機(jī)本體額定點(diǎn)仿真時(shí)的233.35 A。從轉(zhuǎn)矩圖中則可以看到，HM1的空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比切向混合HM2大，0.4 s加入額定負(fù)載后兩臺(tái)電機(jī)均可以平穩(wěn)快速地到達(dá)預(yù)設(shè)定的額定點(diǎn)轉(zhuǎn)矩。綜上仿真數(shù)據(jù)可以得到新型永磁磁阻電機(jī)的可行性與有效性。

(a) 單一磁極HM1

(b) 切向混合HM2
圖16 原電機(jī)HM1和切向混合HM2聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

同時(shí)，圖17比較了單一磁極HM1與切向混合HM2之間交直軸電感差之間的高低。可以發(fā)現(xiàn)，切向混合HM2的交直軸電感差顯著大于HM1，驗(yàn)證了本文提出電機(jī)在凸極比上的優(yōu)勢(shì)。其中在0.4 s加入負(fù)載后，受電機(jī)飽和程度的影響，原電機(jī)與切向混合HM2電機(jī)的Ld和Lq均有減小，Lq的減小程度遠(yuǎn)大于Ld的減小程度,(Lq-Ld)值降低，其中原電機(jī)Lq的減小程度最高，導(dǎo)致原電機(jī)負(fù)載時(shí)Ld和Lq的差異更小，凸極效應(yīng)不強(qiáng)。

圖17 HM1和HM2(Lq-Ld)比較圖

圖18為聯(lián)合仿真下HM1和HM2電機(jī)總鐵耗變化曲線。同時(shí)進(jìn)一步對(duì)兩臺(tái)電機(jī)聯(lián)合仿真空負(fù)載時(shí)的各類損耗進(jìn)行整理，如表2所示。相比于有限元仿真得到的鐵耗，聯(lián)合仿真進(jìn)一步考慮了逆變器供電下時(shí)間諧波的影響，故所得出鐵耗有一定程度增大。

(a) 單一磁極HM1

(b) 切向混合HM2
圖18 原電機(jī)HM1和切向混合HM2聯(lián)合仿真鐵耗比較

表2 HM1和HM2聯(lián)合仿真鐵耗平均值

從表2中得出,最顯著的特點(diǎn)是，無論空載還是負(fù)載，渦流損耗在總鐵耗中均起主導(dǎo)作用，占比均在 75%以上。負(fù)載渦流損耗的占比普遍大于空載渦流損耗的占比，這是因?yàn)殡姍C(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)內(nèi)部磁場畸變程度更為嚴(yán)重，在鐵心中感應(yīng)出的諧波渦流含量更多，從而導(dǎo)致渦流損耗的增加。同時(shí)與原電機(jī)HM1相比，切向混合HM2 電機(jī)的空載鐵耗下降了31.9%，負(fù)載鐵耗的差異并不大。

圖19為單一磁極HM1和切向混合HM2在電流負(fù)載變化時(shí)的效率曲線。可以發(fā)現(xiàn)，在負(fù)載電流較小時(shí)，切向混合HM2的效率略高于單一磁極HM1；隨著電流負(fù)載的增加，單一磁極HM1在30%額定電流的開始略高于切向混合HM2，但差距不顯著，切向混合HM2在電流負(fù)載變化時(shí)和原單一磁極HM1一樣均可保持較高的效率水平。

圖19 HM1和HM2不同電流負(fù)載效率圖

4 結(jié) 語 ?

本文針對(duì)電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)稀土永磁成本過高的問題，提出了兩臺(tái)鐵氧體和釹鐵硼混合使用的新型永磁磁阻電機(jī)。電機(jī)永磁體成本得到了大幅度的降低，且有效提升了凸極比及磁阻轉(zhuǎn)矩利用率。但轉(zhuǎn)矩降低較為明顯，同時(shí)有較高的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，針對(duì)此問題進(jìn)一步提出一種切向混合轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)，通過磁鋼位置及混合比例的改變，可以有效降低兩臺(tái)新型永磁磁阻電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)諧波及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，同時(shí)提升混合電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力。最終搭建JMAG-PSPICE-MATLAB聯(lián)合仿真平臺(tái)，利用JMAG-RT模型使兩臺(tái)新型切向混合磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁磁阻電機(jī)運(yùn)行于更接近實(shí)際控制環(huán)境下，表3的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)今后實(shí)際成產(chǎn)運(yùn)行兩臺(tái)電機(jī)具有一定的參考價(jià)值。

表3 實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù)對(duì)比

審核編輯：黃飛

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