高性价比车用永磁辅助磁阻同步电动机设计

袁 皓



高性价比车用永磁辅助磁阻同步电动机设计

袁 皓

（中船重工资产经营管理有限公司，北京100044）

通过对电动汽车驱动用永磁辅助磁阻同步电动机的转子磁极结构分析，得出不同转子结构对磁阻转矩的影响，在此基础之上，对电机电磁场、转子结构强度和温度场进行仿真分析。仿真结果表明，永磁辅助同步电机的电磁转矩中具有较强的磁阻转矩分量，电机转矩脉动低，安全性好，性价比高，在电动汽车驱动电机中有良好的应用前景。

永磁辅助磁阻同步电动机 电磁场 转子结构强度 温度场

0 引言

电动汽车用驱动电机应该具有优良的起动性能和较宽调速区域，电机设计时需考虑电机的高功率密度、低速时的大转矩及调速区间的宽范围。目前电动汽车驱动电机大多采用感应电动机和稀土永磁同步电动机，但都存在较明显的缺点。感应电动机效率和功率密度比较低，永磁电机基本都采用高性能烧结钕铁硼，钕铁硼材料成本较高。随着更多电机制造企业进入新能源汽车行业，竞争越来越激烈，对电动汽车驱动电机转矩性能、效率、价格成本等方面的提出了更高的指标要求。

永磁辅助磁阻同步电动机（以下简称永磁辅助同步电机）是一种充分利用磁阻转矩做功的永磁同步电机。永磁辅助磁阻同步电动机采用内置式、多层永磁体转子结构，具有较高的磁阻转矩。由于磁阻转矩最高可占到电磁转矩的40%左右，从而可以用低磁性能和低价格的粘结钕铁硼永磁材料代替高磁性能和高价格的烧结钕铁硼永磁材料，使得电机的制造成本大幅降低，提升市场竞争力。目前，德国、日本和韩国的公司纷纷推出新能源汽车驱动用永磁辅助同步电机[1]。

本文通过有限元仿真方法对电动汽车驱动永磁辅助同步电机进行电磁、结构、温度场分析，并优化设计方案。所设计的永磁辅助同步电机主要技术参数为：额定功率90 kW，峰值功率160 kW，供电电压DC540 V，额定转矩310 Nm，峰值转矩660 Nm，额定转速2800 rpm，最高转速4500 rpm。

1 多种转子磁极结构设计分析

永磁辅助同步电机的磁阻转矩与内置式转子磁极结构有密切关系，电机转子结构选择时应考虑以下要求：一是具有较高的凸极比，能产生较大的磁阻转矩；二是转子结构设计安全、制造工艺性好。图1和表1分别是不同转子结构冲片图和不同转子结构电机的电磁转矩与磁阻转矩比较。

图1 三种转子磁极结构冲片

表1 三种转子结构电机的电磁转矩与磁阻转矩

由表1可知，与“V”字形和“V一”字形永磁体排列方案相比，多层弧形永磁体排列方案永磁电机的总电磁转矩中磁阻转矩占比最高，而且转矩脉动较低[2,3]。

2 永磁辅助同步电机电磁场分析[4]

2.1 电机基本参数及其结构

90 kW永磁电机单元电机的结构如图2所示，定子72槽，转子12极。定子采用q=2的短矩绕组，定转子硅钢片采用DW315，永磁体采用粘接钕铁硼，牌号BNP-9H。

图2 电机结构图

2.2 空载计算

空载计算指定子绕组不通电流，只有永磁体单独作用。此时，磁钢平均工作温度为95℃，电机转速为2800 r/min，转子分5段斜极。

计算得到空载磁密分布云图见图3，气隙中心处磁密的径向分量波形见图4。

图3 空载磁密分布云图

计算得到空载相绕组感应电动势随时间变化曲线如图5所示，其谐波分析如图6所示，各次谐波值如表2所示。

表2 空载感应电势谐波分析表

2.3 负载计算

通过给定子绕组加载幅值正弦相电流，定子绕组按照工作温度95℃计算得到负载磁密分布如图7所示，负载气隙磁密如图8所示。

图6 空载相感应电动势谐波分析

图7 负载磁密分布图

图8 负载气隙磁密分布

计算得到电机的电流、电压与相感应电动势关系图如图9所示。

图9 电机的电流、电压与相感应电动势关系图

3 永磁辅助同步电机转子结构强度分析

永磁辅助同步电机转子磁路结构在保证转子隔磁桥漏磁较小，提高永磁体利用率的情况下，还要对峰值转速下4500 rpm转子结构强度进行校核计算，从而保证高速下电机结构具有较大强度裕量。

在最大转速4500 rpm时，在离心力的作用下，转子冲片受力分析结果如图10所示。其中最大mises合成应力约为91 MPa，三段磁钢槽连接处（0.8 mm厚度处）的应力分别为26 MPa、42 MPa、77 MPa。径向最大位移约0.007 mm。该方案中的冲片满足强度要求[5]。

图10 4500 rpm-0.8 mm-合成应力

4 永磁辅助同步电机额定负载下温度场分析

电机的冷却设计对于电机的可靠运行非常重要，此处采用对称简化模型，模拟水路及绕组端部自然散热模型，计算的边界条件如下：

入口（机座出口）采用质量流量入口。按机座入口体积流量为10 L/min计，入口质量流量为0.167 kg/s，方向为进口的法向方向。进口水温65℃。出口采用压力出口，环境温度50℃。

图11 计算域模型（含流体域）

图12 各部件温度分布云图

由表3可以看出，电机温度最高处位于定子端部绕组区域，高达135.3℃，温升为70.3 K。各部件温升均在绝缘安全范围内，电机能持续稳定安全运行[6]。

表3 各部件温度统计

5 结论

开发低成本电动汽车驱动永磁辅助同步电机具有重要意义。通过合理选择永磁体性能和磁极结构，永磁辅助同步电机不仅能满足电动汽车对驱动电机的转矩要求，而且性能良好，振动指标低，特别是制造成本低，显著提升新能源汽车的市场竞争力，在电动汽车驱动电机中有着良好的应用前景。本文通过对永磁辅助同步电机转子磁极结构多方案优化、电磁空载及负载电磁场分析、峰值转速下转子结构强度分析和额定负载下温度场分析等多因素进行设计优化及仿真分析，得出满足电动汽车特定使用要求的电机设计方案。

[1] OBATA M, MOＲIMOTO S, SANADA M, et al. Characteristic of PMASynRM with ferrite magnets for EV/HEV applications[C]. 2012 15th International Conference on Electrical Machines and Systems ( ICEMS). IEEE, 2012: 1-6．

[2] 张蔚. 内置式永磁同步电动机的设计与分析[D]. 东南大学, 2007.

[3] 张清枝, 牛联波, 艾永乐. 永磁辅助式同步电机性能分析[J]. 电力系统保护与控制, 2011.

[4] 刘国强, 赵凌志, 蒋继娅. Ansoft工程电磁场有限元分析[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005.

[5] 郁亚南, 黄守道, 成本权, 刘婷. 绕组类型与极槽配合对永磁同步电动机性能的影响[J]. 微特电机, 2010.

[6] JEONG Y-H, KIM K, KIM Y-J, et al．Design characteristics of PMa-SynRM and performance comparison with IPMSM based on numerical analysis [C]//Proceedings of the 2012 International Conference on Electrical Machines ( ICEM2012). IEEE, 2012: 164-170．

Design of Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance Motor with High Cost Performance

Yuan Hao

（CSIC Asset Management Co., Ltd., Beijing 100044, China）

TM352

A

1003-4862（2017）06-0042-04

2017-03-13

袁皓（1974-），女，高级工程师。研究方向：电力电子技术。E-mail: 978736618@qq.com