基于Halbach阵列的车用可控磁通电机电磁分析

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(1.上海大众汽车有限公司，上海 201805；2.同济大学汽车学院，上海 201804)

基于Halbach阵列的车用可控磁通电机电磁分析

周洋1，王心坚2，黄佳2

(1.上海大众汽车有限公司，上海 201805；2.同济大学汽车学院，上海 201804)

针对新能源汽车的电安全问题以及转矩安全问题，提出一种采用Halbach阵列变磁阻结构的可控磁通永磁电机。对电机空载特性、工作状态特性和安全特性进行了有限元仿真。仿真表明，电机能够满足车用电机的需求，并且能保证新能源汽车的电安全特性与转矩安全特性。

Halbach阵列；变磁阻结构；可控磁通；永磁电机

0 引言

永磁电机的转矩特性好、效率高，是目前新能源汽车车用电机的主流[1]。然而，永磁电机存在反电动势，在车辆系统失效的状况下，高速旋转的电机存在很高的反电动势，该反电动势会通过逆变器的6个二极管对电机控制器中滤波电容进行充电，这样驱动侧高压系统的高压存在安全隐患。欧盟的Economic and Social Council提出新能源车辆碰撞标准要求发生碰撞后高压系统上的电压应该小于30V(AC)或者60V(DC)[2]。永磁电机驱动系统本身失效后，如果电机上存在转速，则电机本身会产生较大的制动转矩，大制动转矩则对车辆的稳定运行造成较大影响，从而存在转矩安全问题。

目前，可控磁通永磁电机大致可分为3种：采用单一的矫顽力较低的铝镍钴磁钢实现电机的磁通可控[3-6];采用混合励磁(铝镍钴与钕铁硼混合励磁、永磁体与电励磁混合励磁)的方式实现电机的磁通可控[7-10];采用机械方式改变转子结构的方式实现电机的磁通可控[11-13]。然而，采用单一的铝镍钴永磁体作为转子磁钢，很难提高气隙磁密，影响电机的功率密度与转矩密度；采用混合励磁的方式存在磁通控制电流过大等问题；采用机械方式改变转子结构对电机可靠性有一定的影响。

在新能源汽车电驱动系统中，考虑到电机控制器逆变器容量特性及电机热负荷特性，可控磁通永磁电机磁通控制电流需要在一定范围内；车用电机对可靠性要求更高；车用电机的功率密度及转矩密度也有一定的要求等问题，提出一种Halbach阵列变磁阻结构可控磁通永磁电机，并对电机空载特性、工作状态特性和安全特性进行了有限元仿真。

1 Halbach阵列可控磁通电机模型

1.1 电机模型及功能

Halbach阵列变磁阻结构可控磁通永磁电机的剖面图如图1所示。可控磁通电机的定子与传统永磁电机定子相同，绕组为双层整数槽绕组，能够在一定程度上减少电机的反电动势谐波、电流谐波以及转矩脉动[14]。转子为内置混合式结构，包含钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体，以Halbach阵列放置。钕铁硼对角充磁，位于每极的两侧，作为转子的主磁通；铝镍钴径向充磁，充磁方向受d轴电流控制，位于每极的中间位置，作为转子的磁通可控部分。

图1 电机剖面

铝镍钴磁化方向沿径向向外时，其工作于助磁状态，即电机驱动状态，铝镍钴将钕铁硼的磁通推向定子侧，此时电机主磁通最强，具有良好的驱动特性。铝镍钴磁化方向沿径向向内时，其工作于去磁状态，即电机安全状态，铝镍钴将钕铁硼的磁通在转子内路短路，此时电机气隙磁密最弱，可以采用低速开路、高速短路的方式保证车辆系统的安全性能。

1.2 变磁阻特性

充分利用隔磁结构使电机转子在不同工作状态呈现不同的磁阻特性。隔磁结构包含两部分：一部分位于钕铁硼上部，另一部分位于铝镍钴下部。电机驱动状态时，处于钕铁硼上部的隔磁结构虽然增加钕铁硼磁通进入定子的磁阻，但铝镍钴仍能将对角充磁的钕铁硼磁通导入定子中，该隔磁结构对电机驱动能力影响不大。电机安全状态时，处于钕铁硼上部的隔磁结构增加钕铁硼磁通进入定子的磁阻，能使钕铁硼磁通几乎完全被铝镍钴在转子内部短路，电机的安全性能好；虽然处于铝镍钴下部的隔磁结构增加铝镍钴去磁磁路的磁阻，但通过合理设计，仍能保证铝镍钴的去磁能力，保证电机的安全性能。电机由驱动状态向安全状态磁通控制时，钕铁硼上部的隔磁结构增加定子与钕铁硼之间的磁阻，使定子d轴电流产生的磁通几乎完全加载到铝镍钴上，有利于铝镍钴由助磁状态向去磁状态转换；虽然处于铝镍钴下部的隔磁结构增加铝镍钴去磁磁路的磁阻，但通过合理设计，对此时磁通控制影响很小。电机由安全状态向驱动状态磁通控制时，钕铁硼上部的隔磁结构增加定子与钕铁硼之间的磁阻，使定子d轴电流产生的磁通大部分加载到铝镍钴上，有利于铝镍钴磁通控制；处于铝镍钴下部的隔磁结构增加铝镍钴去磁磁路的磁阻，有利于铝镍钴磁通由去磁状态向助磁状态转换。

1.3 电机结构的优点

Halbach阵列变磁阻结构可控磁通永磁电机采用Id=0控制策略，负载电流即为q轴电流Iq，对处于3段式Halbach阵列中间位置的铝镍钴永磁体几乎无影响，保证电机驱动状态时电机转子磁通的稳定。不管电机处于工作状态或者安全状态，处于钕铁硼上部的隔磁结构能将对角充磁的钕铁硼磁通导入到铝镍钴中，这样钕铁硼的绝大部分磁通是通过铝镍钴进入定子或者在转子内短路，钕铁硼的磁通对铝镍钴的稳定起到一种“保护”效果，钕铁硼本身就对铝镍钴的磁通起到稳磁作用，铝镍钴永磁体不需要做其他的稳磁处理。钕铁硼的磁通对磁通控制，特别是铝镍钴去磁状态向助磁状态转换时，其“阻碍作用”很小，并且在磁通控制时，一旦铝镍钴的磁通方向发生改变，钕铁硼磁通会通过铝镍钴，对磁通控制起“帮助”作用。钕铁硼上部存在隔磁结构，而且铝镍钴的磁特性较弱，铝镍钴能对钕铁硼的退磁起保护作用，这种结构方式的钕铁硼永磁体更不容易发生退磁。

2 可控磁通电机电磁分析与仿真

针对新能源车用电机的要求，主要对电机空载特性、驱动特性和安全特性进行电磁分析与仿真。

2.1 电机空载分析

在电机驱动状态下，铝镍钴正向充磁工作于助磁状态时，在有限元软件中进行仿真。空载时，电机驱动状态下，电机气隙磁密如图2所示。

图2 铝镍钴助磁时空载气隙磁密分布

由图2可知，电机最高气隙磁密为750mT，表明电机有较好的驱动能力。

助磁状态下，对电机感应电动势进行傅立叶分析可知,电机空载时的感应电动势谐波分量的阶次很高，根据电机的斜槽系数为[15]：

(1)

v为谐波次数;c为导体斜过的距离;τ为极距。采用一个极距的斜槽就能很好的消除电机感应电动势里的高次谐波，而对电机感应电动势基波分量影响很小。

电机安全状态，铝镍钴反向充磁工作于去磁状态时，在有限元软件中进行仿真。空载时电机安全状态下，电机气隙磁密分布如图3所示。

图3 铝镍钴去磁时空载气隙磁密分布

由图3可知，电机最高气隙磁密为230mT，弱磁比为3.3，从而达到磁通可控的目的。

2.2 电机驱动特性与安全特性分析

根据电机特性及逆变器特性，选择电机最高工作电流密度为13A/mm2，对电机驱动状态，采用Id=0控制满载工况进行仿真，电机三相电流如图4所示。

图4 电机满载状态下的三相电流

由于电机采用了一个极距的斜槽，而电机控制策略采用Id=0控制，处于电机轴向边缘处的转子由于受到斜槽的影响，铝镍钴材料会受到一定负向d轴电流的影响。图5表明电机即使采用斜槽，仍然存在一定的转矩脉动，但其幅值相对较小，能满足车用要求。

图5 满载下电机转矩

电机安全状态下，可以采用低速开路、高速短路的方式保证车辆系统的安全性能。在有限元软件对电机安全状态的短路过程进行仿真。电机在磁通控制时，由于电感存在，还剩余一定的负向d轴电流，在电机安全状态下，对d轴负向电流最大的情况，Id=-340A、Iq=0进行短路仿真，结果如图6～图8所示。

由图6可知，电机短路稳态的A,B,C三相电流较小，接近0值。由图7可知，电机短路稳态等效q轴电流接近0值，等效d轴负向电流较小。由图8可知，进入短路稳态过程中，电机制动转矩也较小，短路稳态后电机制动转矩接近0值。因此,电机的安全性能很好，满足车用的安全需求。总之，由图6～图8可知，安全状态下电机迅速进入短路稳态过程。

图6 安全状态下短路后相电流进入稳态过程

图7 安全状态下短路后Id,Iq电流变化过程

图8 安全状态下短路后制动转矩进入稳态过程

3 结束语

分析了不同种类可控磁通电机的特点，基于Halbach阵列变磁阻结构，提出一种可控磁通永磁电机的设计方案，对电机的特性及优点进行了介绍，并对电机的空载特性、工作状态特性和安全特性进行了有限元仿真和分析。仿真结果表明，可控磁通永磁电机的上述特性都能够满足车用要求。然而，采用Id=0控制，没有考虑效率最优问题，值得进一步深入研究。

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Electromagnetic Analysis of Controllable-flux Motor Based on Halbach Array for Vehicles

ZHOUYang1，WANGXinjian2，HUANGJia2

(1.Shanghai Volkswagen Co.,Ltd.，Shanghai 201805,China；2.School of Automotive Studies,Tongji University，
Shanghai 201804,China)

Taking electrical safety and torque security into account,a controllable-flux permanent magnet motor with variable reluctance structure in the form of Halbach array is proposed. And finite element simulations about no-load characteristics,work status characteristics and safety characteristics are carried out.Simulation results show that the motor can meet the needs of the vehicle and ensure electrical safety and torque security.

Halbach array;variable reluctance structure;controllable-flux;permanent magnet motor

2014-04-21

TM351

A

1001-2257(2014)08-0007-04

周洋(1979-)，男，辽宁锦州人，硕士，研究方向为新能源汽车动力总成设计及试验;王心坚(1972-)，男，湖北武汉人，博士，讲师，研究方向为新能源汽车动力系统匹配优化及电动汽车电机驱动系统设计与优化；黄佳(1990-)，男，江苏宿迁人，硕士研究生，研究方向为车用永磁同步电机电磁结构设计。