车用高性能永磁同步电机磁极设计综述

2019-12-24董新伟王一飞

微电机 2019年11期

董新伟，王一飞，杨磊

(1.中国矿业大学电气与动力工程学院，江苏徐州 221000；2.92351部队，海南三亚 572016)

0 引言

随着当今环境日益恶化，石油、煤炭等化石能源逐渐枯竭，为减少环境污染、倡导可持续发展，人类在不断探索用清洁能源代替传统化石能源。汽车作为人类出行的重要工具，在带来巨大便利的同时，也造成了严重的能源和环境污染问题。为解决这一问题，电动汽车应运而生。

近年来，电动汽车发展迅猛，其驱动电机主要有异步电机和永磁同步电机。与异步电机相比，永磁同步电机具有损耗小、功率密度高、能量转换效率高等优点，适合于低速、高速等各种复杂路况，因此多数车企选择永磁同步电机来提供车辆的续航里程[1]。为提高电动汽车的续航里程和行驶效率、降低行驶损耗，必须对驱动电机进行合理的设计。

1 车用永磁同步电机设计要求

驱动电机在电动汽车上承担了类似于发动机在传统汽车上的功能，车辆行驶时，依靠驱动电机提供的转矩来提供行进的动力。驱动电机在恒转矩区运行时转矩保持恒定，功率随着转速的上升而线性增加，驱动电机在恒功率区运行时功率保持恒定，转矩随转速的上升呈双曲线减小。如图1所示，当汽车起步和加速时，需要较高转矩，因此电动汽车主要运行于恒转矩区，以获得较大的加速度。当驱动电机由于转速的增加，使得功率达到最大值时，主要用来克服行驶阻力，转矩消耗比较小，因此电动汽车主要运行于恒功率区以获得较高的车速[2]。

电动汽车驱动用电机及其控制系统的要求为：在整个运行范围内具有较高的效率；有较强的过载能力、快速的动态响应及良好的起动加速性能；调速范围宽，且低速运行时能够提供大转矩；高可靠性、高功率密度及低成本。

图1 车用电动机外特性

2 磁极设计要点

与传统电励磁电机不同，永磁同步电机的励磁磁场由自身的永磁体产生，因此磁极设计对永磁电机来说十分重要，合理的磁极设计可以提高永磁电机的性能，减小各项损耗。论文分别从永磁体材料的选择，永磁体的位置、形状、层数等方面论述对电机性能的影响及设计要点。

2.1 永磁体材料选择

高性能永磁同步电机的永磁体材料需要具有较高的剩磁、矫顽力以及最大磁能积，而且还应有较高的工作温度和热稳定性。由于车用电机体积小，散热条件较差，汽车在长时间高速行驶时电机温升过高，极易造成永磁体发生不可逆退磁。

钐钴材料含有储量稀少的稀土金属钐和钴，价格昂贵，因此它的发展受到了很大的限制。铝镍钴材料的磁性能较低，但工作温度可达600℃。钕铁硼材料的矫顽力和磁性能都很优越，温度稳定性好，价格相对钐钴材料低。综合各项指标，为满足车用电机的要求，多选用钕铁硼作为永磁体材料。

2.2 永磁体位置

永磁同步电机按照永磁体在转子的位置可分为表贴式和内置式。表贴式结构交直轴电抗相等，磁阻转矩为0，电机抗去磁能力差，弱磁能力有限，转矩密度较小，不能满足电动汽车宽调速范围的要求。内置式永磁体结构与表贴式相比，存在较大的漏磁，但永磁体深埋于转子内部，机械强度大，增加了电机转子高速旋转时的安全性。

对于永磁同步电机，其转矩公式为

(1)

式中，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，id为直轴电流，iq为交轴电流，ψpm为永磁磁链，pn为电机的极对数。

内置式结构d轴电感小于q轴电感，存在磁阻转矩，而永磁同步电机的转矩为永磁转矩和磁阻转矩之和，在达到同样大小转矩时，内置式结构能够充分利用磁阻转矩，使永磁转矩的比重减小，节约永磁体用量，而钕铁硼的价格昂贵，如此可大大降低成本。此外，文献[3-4]指出这种转子磁路的不对称性可以提高电机的功率密度和弱磁能力。由于内置式结构的永磁体位于转子内部，因此制造工艺较表贴式结构更复杂。

对于内置式结构，永磁体的涡流损耗对电机性能影响很大，为提升电机运行效率，必须抑制涡流损耗。而电枢反应磁场是造成涡流损耗的主要原因，为减小电枢磁场对永磁体的渗透，将永磁体从转子表面深埋进转子内部，即由表贴式结构发展为内置式结构成为现代高性能永磁同步电机的一个发展趋势。

2.3 永磁体的形状

永磁同步电机的气隙磁密主要由永磁体产生，可实际上气隙磁密除了基波成分外，还存在复杂的谐波成分，气隙磁密的非正弦性会对电机性能造成影响，例如气隙磁密中的5次和7次谐波导致电机出现转矩脉动，使得汽车在行驶中出现电磁振动和噪声问题，降低NVH性能，因此转矩脉动的抑制成为车用电机设计必须重点考虑的问题。此外，电机控制的很多理论都是基于气隙磁密和反电动势正弦为前提的，气隙磁密正弦化也有利于电机控制时风险的降低，而对永磁体的形状进行适当的调整可以使气隙磁密偏向正弦化。

文献[5-7]表明对表贴式结构的永磁电机，永磁体形状通常为瓦片形，为使气隙磁密正弦化，对永磁体的外轮廓进行正弦化修形，将永磁体分为正弦部分和非正弦部分，通过调整正弦化厚度来调节永磁体的正弦程度，在修形时应进行适当调整，过度追求正弦化，会导致永磁体边缘变薄，容易碎裂，同时这种方法会造成永磁体的浪费，增加电机制造成本和工艺难度。

对内置式结构的永磁电机，永磁体的形状通常为矩形，如图2所示，有一字型、V型、U型、Spoke型等结构。不同的磁极结构对电机的磁阻转矩、弱磁能力、气隙磁密等有着不同的影响。高磁阻转矩要求高凸极比，q轴磁路保持通畅，d轴电感较小。弱磁能力强要求高凸极比，d轴电感较大。经过比较，V字和U字结构的磁阻转矩最大，一字型结构的q轴磁路不如V字型结构通畅，Lq较小。Spoke结构的d轴磁路比V字型结构更为通畅，Ld较大。

图2 一字型，V字型，U字型，Spoke结构

提高永磁电机的工作效率，关键在于降低各类损耗。其中涡流损耗占主要部分。车用电机需要具有宽调速范围，弱磁使电机工作转速范围扩展，但弱磁磁场会使气隙磁密畸变，谐波含量增加，永磁体产生的涡流损耗明显增加。为解决这个问题，将永磁体进行轴向分段，提高环流电阻，以此降低涡流损耗。对内置式结构还可以对永磁体槽进行修形，增加低次谐波回路的磁阻，抑制谐波的幅值，从而降低谐波磁场对永磁体的影响。

2.4 永磁体的层数

文献[8-9]指出早期的内置式结构多采用单层永磁体，后来为了提高汽车的起动性能和效率，采用多层永磁体结构增大凸极比，增加磁阻转矩所占的比重，提高电流利用率，进而提高电机的转矩密度。多层永磁体结构使得d轴磁路磁阻增大，Ld减小，同时要保证q轴磁路间的均匀。常见的多层结构主要有双V字型，V+一字型等。多层结构不仅可以提高磁阻转矩，同时也可以增加气隙磁密的正弦性，减小3、5次谐波含量，极大地削弱电机转矩脉动和转子涡流损耗，提升汽车的NVH性能和运行效率。

3 方案对比

丰田Prius系列作为新能源汽车的先驱，其永磁电机经历I代到IV代的演变，时间跨度近20年，从Prius电机的发展历程，对比不同电机设计方案的性能优劣，为永磁电机未来的发展提供参考。

3.1 Prius I代

如图3所示，Prius I代的磁极结构为内置一字型。此时，永磁电机属于初步发展阶段，市场上表贴式结构占主要部分，丰田推出的Prius I代电机采用48槽8极结构，这个槽极比一直沿用至今，永磁体从表贴式过渡到内置式，克服了永磁体易退磁的缺点，有了凸极比后利用磁阻转矩使电机的转矩密度提升，气隙厚度也随之减小，减小了永磁体的用量。不仅如此，I代结构加入了凸起的磁桥，利用退磁磁场旁路原理提高永磁体的抗退磁能力。永磁体两极间的q轴磁路也做了加宽处理，提高Lq进而提高凸极比，充分利用磁阻转矩，这种理念一直影响着后面永磁电机的转矩密度优化设计。

图3 Prius I代电机

3.2 Prius II代

如图4所示，Prius II代的磁极结构为内置式V字型。为了提升电机的功率密度和转矩密度，通过优化q轴磁路进一步提高磁阻转矩，V字型结构可以很好地解决这个问题。相比于I代的一字型结构，V字型结构使永磁体进一步内埋，提高安全性；两个q轴磁路更加平衡均匀，平均磁阻最小，Lq增大，经过实验分析，该结构电机的最大可能磁阻转矩比例可达40%。V字型结构也有利于通过聚磁提高气隙磁密强度，因此它的永磁转矩也会增大。在电机尺寸没有太大变化的条件下，II代和I代相比，峰值功率从33 kW提高到50 kW，性能提升效果显著[10-13]。

图4 Prius Ⅱ代电机

然而，II代产品存在一些问题需要解决。电机气隙磁密和反电动势的正弦性较差，通过实验分析其气隙磁密为梯形波，有大量的5次和7次谐波成分，这导致了该产品的转矩脉动较大。

3.3 PriusⅢ代

如图5所示，PriusⅢ代的磁极结构为内置式V字型。与之前的产品相比做出了两处改动。第一，在永磁体中间部分加入了磁桥，不仅可以提高结构强度，也增强了弱磁能力，使电机的调速范围加宽，最大转速提升。第二，在转子外圆增加了辅助槽，既有利于提高气隙磁密的正弦性，又可以降低转矩脉动。与II代产品相比，气隙磁密的正弦性大幅度提高，转矩脉动显著下降，汽车的NVH性能得到提升[14]。

图5 Prius Ⅲ代电机

3.4 Prius Ⅳ代

如图6所示，Prius IV代的磁极结构为内置式V字型双层永磁体。双层永磁体结构是通过多层磁障进一步阻碍d轴磁路，而q轴磁路并未受多大影响，因此凸极比提高，通过提高凸极比来提升磁阻转矩，实现少稀土，节约永磁体用量，提高转矩密度。除此之外，双层结构将气隙磁密调整为一个中间高，两边略低的阶梯波，使得气隙磁密更接近正弦形。经实验分析，IV代电机的气隙磁密3、5次谐波含量都以得到抑制。IV代对永磁体轴向分段处理，可以抑制涡流损耗，提升电机效率。加入分流磁桥使得Ld增大，弱磁能力增强，电机转速最高可达17500 r/min。