电动汽车用定子永磁型磁通记忆式游标电机性能分析*

葛叶明， 朱孝勇,， 陈 龙

(1. 江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013;2. 江苏大学 汽车工程研究院，江苏 镇江 212013)

0 引 言

随着全球石油资源紧张、大气污染严重，电动汽车越来越受到广泛的关注，电动汽车用驱动电机应具有高效率、高功率密度、宽调速范围和低速大转矩等特性。长期以来，电动汽车用电机通过配备机械变速箱实现低速和高转矩，但是由于机械齿轮依赖齿轮的啮合来传递力矩，不可避免带来一些弊端，如摩擦损耗大、需要定期润滑、存在振动和噪声等。近年来，新型磁齿轮传动技术得到了快速发展。磁齿轮特别是共轴磁性齿轮由于具有无接触、无噪声、无需润滑、自动过载保护、高转矩密度等优点越来越受到关注[1-3]。最近，通过游标结构来获得“磁齿轮效应”的永磁游标电机引起了广泛关注[4-7]，该电机将用于磁场调制的调制铁心与定子齿相结合，有效降低了电机的气隙层数，结构简单，减少了制造的困难和成本，另外该类电机还具备低速大转矩特性，能满足电动汽车等直驱式应用场合的要求。

相比其他电动汽车用电机，定子永磁型电机具有高效率、高功率密度等优点[8],在永磁体散热、转子结构强度等方面具有一定优势,但由于永磁材料的固有特性，电机内气隙磁场基本保持恒定，作电动机运行时，调速范围有限，限制了恒功率高速运行，在电动汽车等需宽调速运行场合的应用受到一定的限制[9]。定子永磁型混合励磁电机[10-14]，引入电励磁绕组，通过改变励磁电流的大小和方向实现电机气隙磁场的灵活调节与控制，能有效拓宽电机的调速范围，但持续的励磁电流会产生额外的励磁绕组铜耗，使得电机在高速区的运行效率降低。为解决该问题，Vlado Ostovic教授在2001年首次提出了记忆电机即磁通可控式永磁电机[15-16]，记忆的概念主要是基于永磁电动机中所用永磁材料的特性，即材料本身的磁化程度能够在很短的时间内通过施加充、去磁磁动势而得到改变，且充、去磁之后其磁化程度亦能被记忆，从而达到了简单、有效地调节电动机内磁场及气隙磁密的目的。理论上，满足这一要求的永磁体必须具有低矫顽力的特点，另外为得到较高的力能指标，永磁体的剩磁应尽可能大。具有低矫顽力和高剩磁密度的铝镍钴永磁材料成为该新型记忆电机的首选材料之一。

本文将定子永磁型磁通记忆电机与游标结构相结合，提出了一种新型定子永磁型磁通记忆式游标(Stator Permanent Magnet Flux-Mnemonic Vernier, SPM-FMV)电机。该电机采用了可在线充、去磁的铝镍钴永磁体，实现了电机磁场的调节与控制。电机高速时可采取弱磁控制，有效拓宽了调速范围；另外，为获得低速大转矩性能，电机外层定子上增加了调制齿，形成具备“磁齿轮效应”的新型游标电机结构。本文讨论了该电机的结构和运行原理，采用分段线性磁滞模型和有限元相结合的方法，分析了电机的电磁性能，还讨论了电机的动态驱动性能。研究表明，该电机具有宽调速范围和低速大转矩的特性。

1 电机结构和工作原理

新型SPM-FMV电机的结构截面图如图1所示。该电机外转子无绕组，也无永磁体，结构简单，机械强度高，可用作车辆轮毂电机，减少了中间传动环节，提高了转矩传递效率。其内层定子采用分层结构，定子内层上嵌有铝镍钴永磁体，永磁体之间的开槽既起到隔磁，减轻重量的作用，又能放置直流磁化绕组，对铝镍钴永磁体进行在线调磁，磁场调节手段简单、直接；外层定子采用多齿式游标结构，通过在每个定子齿外延集成3个调制齿，实现对气隙磁场的调制，调制出相应的磁场谐波分量，实现能量和转矩的传递。可见，调制齿的基本原理和同轴磁性齿轮调磁环上的调磁块相类似[17]，通过采用调制齿和转子齿的不同配比，能实现电机磁场按一定的比例调制和电机的变速运行。

图1 新型SPM-FMV电机结构截面图

与共轴磁性齿轮和永磁游标电机相似[2-5]，SPM-FMV电机满足：

pr=Ns-ps

(1)

式中:pr——转子极数；

Ns——调制齿的齿数；

ps——电枢绕组等效极对数。

根据磁齿轮的基本原理，电机电枢绕组旋转磁场转速和转子转速比值Gr为

(2)

式中：m=1，3，5，…，∞；k=0，±1，±2，±3，…，±∞。对SPM-FMV电机来说，为产生最高次的异步空间谐波，取m=1，k=-1；由于该电机是12/8极双凸极永磁(Doubly Salient Permanent Magnet， DSPM)电机的拓扑结构[18-19]，根据DSPM电机的基本运行原理，电机的转子极数和电枢绕组等效极对数相等，即ps=8，则当每个定子极上分裂出3个调制齿，则调制齿总数目Ns= 36。根据式(1)，可得到转子极数pr= 28。根据式(2)可以得到转速比Gr为-7∶2 ，即电枢绕组旋转磁场转速是转子转速的3.5 倍，而旋转方向相反。当定子电枢绕组通以三相50Hz交流电时，因为电枢绕组等效极对数为8，可产生375r/min的旋转磁场，根据转速比Gr为-7∶2 ，可得到转子在相反方向上的转速会降到107r/min。

相比传统定子永磁型电机[9]，SPM-FMV电机的特点有： (1) 电机只有1个气隙，比一般磁齿轮永磁电机结构简单，而后者有3个或2个气隙[20]；(2) 外转子是无绕组、无永磁体的凸极结构，结构简单，机械强度高，可与电动汽车车轮直接集成，形成轮毂电机；(3) 由于磁化电流作用时间较短(<1s)，与混合励磁类永磁电动机相比，不存在调节磁通时所需的持续励磁电流损耗，电机效率更高；(4) 电枢绕组和铝镍钴永磁体分布在定子的内外两层，最大限度避免了电枢反应对永磁体的影响；(5) 电机采用集中式绕组，使端部线圈较小，从而减少了用铜量和铜耗。

根据机电能量转换原理，SPM-FMV电机的转矩可表示为

(3)

式中:W′(ip,θ)——磁共能;

TPM——电机的永磁转矩;

Tr——磁阻转矩;

θ——转子位置角;

k——磁通调节系数;

ψPMmax——铝镍钴永磁体满磁化状态下的三相绕组永磁磁链,ψPMmax=[ψPMaψPMbψPMc]T；

I——三相电枢电流，I=[iaibic]T;

L——三相电枢绕组电感。

由式(3)中可知，通过改变磁通调节系数k，能够调节电机内气隙磁场。当电机低速运行时，电机工作在k=1即满磁状态，能够输出高转矩；当电机恒功率高速运行时，通过施加短时磁化电流脉冲，减小电机气隙磁场强度，从而实现弱磁升速。

2 电磁性能

SPM-FMV原理样机的基本设计参数如表1所示。由于铝镍钴永磁体磁化特性具有强非线性、多值性的特点，基于铝镍钴永磁体实际的磁滞回线模型，采用分段线性磁滞模型与有限元时步法相结合的方法对其静态和瞬态电磁性能进行了仿真分析[21]。

表1 SPM-FMV原理样机的基本设计参数

SPM-FMV电机在k=1即满磁状态下不同转子位置时的空载磁场分布如图2所示。其中图2(a)为转子初始位置角θr=0°时的空载磁场分布。图2(b)为转子位置角θr=7.72°即旋转了3/5极距的空载磁场分布。电机气隙磁密被调节为满磁状态1/3时的不同转子位置角的空载磁场分布如图3所示。可看出，每个定子极上的磁力线通过调制齿调节后通过气隙和转子又回到定子极上，从而达到了磁场调制的效果。比较两个不同转子位置的磁场分布可发现，在一个相对较短的极距内磁力线分布发生了很大变化，从而在低速运行时得到高转矩。另外，可看出k=1时电机的磁通密度明显强于k=1/3时的磁通密度，验证了通过改变磁通调节系数k，可有效调节电机内气隙磁场。

图2 k=1时不同转子位置下的空载磁场分布

图3 k=1/3时不同转子位置下的空载磁场分布

为进一步验证电机的磁场调节能力，考查SPM-FMV电机在转速为500r/min 时不同磁化状态下的反电势、径向气隙磁密分布波形分别如图4、图5所示。可看出，空载反电势峰值从25V 调节到75V，气隙磁密幅值从0.3T调节到0.9T，证明通过在线调节铝镍钴磁化程度能有效调节空载反电势和气隙磁密，且实现气隙磁场的调节容易，电机可通过弱磁升速来获得宽调速特性。尽管该电机采用了双凸极结构，由于在每个定子极上添加了调制齿，反电势不再是梯形波，而近似于正弦波。由图5可知，气隙磁密在0～180°有18个峰值，这跟磁齿轮效应原理相符。

图4 不同磁化状态下的反电势波形

图5 不同磁化状态下的气隙磁密分布

满磁状态下气隙磁密对应的空间谐波频谱分析图如图6所示。可看出，通过引入调制齿，能将电机气隙磁密调制出幅值较高(接近0.9T)、磁极对数与转子齿数相同(等于28)的谐波分量，从而通过磁齿轮效应，实现电机的变速变比运行。

图6 空间谐波频谱分析图

由于该电机的空载反电势不再呈现为梯形波，而是更接近于正弦波，故可采用正弦波控制，即BLAC控制方式。

给定转速为500r/min下的转矩和电枢电流波形如图7所示。可看出，通入幅值为20A电枢电流时，SPM-FMV电机最大可提供45N·m的电磁转矩，且转矩脉动为13.6%，明显小于传统的双凸极电机[22]。

图7 转矩和电枢电流波形

3 动态特性

为验证SPM-FMV电机设计的合理性及其基本驱动性能，考查该电机在不同给定转速和不同给定负载转矩下的动态响应，如图8所示。在电枢电流限幅值为20A的条件下，初始给定负载为20N·m，不计负载的转动惯量，电机在0.08s达到给定转速500r/min，此时电机输出转矩42N·m；在0.12s时给定转速突变为750r/min，0.2s 给定负载转矩突变为10N·m，电机转速和转矩均能快速达到了给定值。可见SPM-FMV电机具有良好的动态响应能力，能满足电动汽车等频繁变速运行等工况的要求。

图8 突变速度和突变负载下电机的动态响应

SPM-FMV电机采用了可在线充、去磁的铝镍钴永磁材料，通过在线调节电机磁化绕组电流的大小和方向，能实现有效调节和控制电机的反电势峰值。由于磁化绕组和励磁转矩的存在，使得电机的控制方式更灵活，通过增磁、弱磁等不同工作模式的切换，能满足电动汽车不同运行工况的要求。

图9 SPM-FMV电机起动响应、充磁电流曲线

SPM-FMV电机起动响应、充磁电流曲线如图9所示。在相同的给定速度和负载条件下(给定转速500r/min，负载转矩20N·m)，可看出，当不施加充磁电流时，达到给定转速需要0.08s；当有充磁电流时，相同负载和转动惯量下电机仅需要0.05s便达到相同的给定转速。这表明电机起动时可通过施加充磁电流，缩短起动响应时间，有效提高了电机动态响应性能，能满足电动汽车等起动、急加速等运行工况的要求。

重载爬坡时，电机的动态响应曲线如图10所示。首先给定负载20N·m，给定转速500r/min起动，电枢电流限幅为20A，最大输出转矩为42N·m。由图可见，电机在0.08s 时达到稳定转速，输出转矩等于负载转矩20N·m ，电枢电流也降为8A；在0.12s时负载转矩突变为47N·m，电机的输出转矩和电枢电流立即增大到最大值，且此时最大输出转矩小于给定负载转矩，电机的转速呈现出下降趋势。磁化绕组的存在，为提供额外的正向磁化转矩提供了可能。如图10所示，在 0.16s时施加充磁电流，能产生与永磁转矩方向一致的电磁转矩，电机总输出转矩随之增加并达到给定负载转矩，转速上升至 500r/min，电机重新达到平衡状态。在0.3s，负载降为 20N·m，此时不需要充磁电流来产生正的电磁转矩，也可满足要求。可见，电机在已处于满磁状态下和最大转矩输出情况下，仍可通过施加充磁电流产生正的电磁转矩，满足电动汽车等运行场合重载、加速或者爬坡时所需要的大转矩要求。

图10 重载爬坡时电机的动态响应曲线

进一步验证了该电机的宽调速运行性能。传统混合励磁电机在高速运行时需要持续施加去磁励磁电流，SPM-FMV电机可通过直流去磁脉冲电流来调节永磁体磁化状态，从而实现了高速运行时弱磁升速。弱磁运行时转速、转矩和去磁脉冲电流曲线如图11所示。给定负载转矩为8N·m，起动时限流20A。由图可知，随着电机转速的不断升高，电机的反电势和端电压逐渐趋于平衡，电机能达到的最高转速仅为1580r/min。当在1s时施加2A 的去磁电流，转速上升至2050r/min，实现了弱磁升速，可看出弱磁后的电磁转矩波动减小。

图11 弱磁运行时转速、转矩和去磁脉冲电流曲线

4 结 语

本文将磁通记忆式电机概念和游标结构结合到定子永磁型电机中，提出了一种电动汽车用新型定子永磁型磁通记忆式游标电机，采用分段线性磁滞模型与有限元时步法相结合的方法对该电机的静态和动态特性进行了分析。仿真结果表明，SPM-FMV电机能容易实现在线调节气隙磁场，在低速运行时能提供大转矩，高速运行可在线弱磁升速，并有效运行在较宽的恒功率区，拓宽了调速范围。所以，SPM-FMV电机在电动汽车驱动领域具有一定的可行性和应用前景。

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