不同极槽配合电动汽车永磁同步电机弱磁性能及抗饱和能力研究

黄 磊, 彭 兵

(沈阳工业大学,沈阳 110870)

0 引 言

化石燃料的消耗是大气污染的一个重要来源，发展尾气低排放、零排放的新能源汽车迫在眉睫，这给传统汽车行业带来新的发展机遇和挑战[1-2]。世界各大汽车厂商都开始进行电动汽车相关技术的研究与开发工作，电动汽车用内置永磁同步电机以其功率密度大、转矩密度高、效率高、耐退磁性能好和较高的稳定及抗干扰能力，成为行业关注的重点和研究热点[3]。

电动汽车内置永磁同步电机面临的一个重要问题是弱磁调速对运行性能的影响。文献[4]以一台8极12槽内置永磁同步电机为例，指出电枢反应磁通会增强齿尖和永磁体附近转子区域的局部磁饱和，使得磁链发生显著变化，导致电压畸变，大大降低弱磁运行区域并降低平均转矩，增大转矩脉动。文献[5]研究了转子斜极、定子齿结构优化等几种谐波抑制方法对分数槽内置永磁电机端电压畸变抑制的效果，研究发现，通过对磁导率和磁通路径的修正，电机的局部磁饱和程度会降低，提高了电机弱磁工作区域。文献[6]设计了一种具有变磁阻励磁回路的永磁同步电机，转子内永磁体的位置随着转速的提高而发生变化，进而改变磁通，实现高速弱磁，但是由于永磁体不固定，电机的制造工艺会变高。文献[7]提出将磁阻电机转子结构和表贴式永磁同步电机的转子结构相结合的方法，通过调整两段转子的长度和相对位置，实现弱磁扩速的目的。文献[8]对内置V型磁钢转子结构进行分析，指出增加相邻磁极间距可以提高弱磁能力，但是缺点是会增加气隙磁密谐波和反电势谐波。综上所述，在解决电机弱磁问题方面，虽然方法很多，但在极槽配合对弱磁能力的影响较少有文献涉及。

本文主要对不同极槽配合内置式永磁同步电机的弱磁能力和抗饱和能力进行研究，采用有限元方法分析不同极槽配合电机在弱磁工况的反电动势、转矩、转矩脉动和电感参数。

1 不同极槽配合电机设计

本文所设计的电机极数均为8极，槽数分别为18槽、36槽和48槽，三种电机的设计输入参数如表1所示。三种电机的结构参数如表2所示，所有被研究的电机的主要尺寸相同，如定子外径、定子内径、气隙长度、铁心长度。为了获得相同的空载反电势，不同电机的每槽导体数作相应调整。三台电机的结构模型如图1所示。

表1 三种电机的设计输入参数

表2 研究样机的结构参数

图1 三种极槽配合的电机模型

2 极槽配合对空载性能分析

2.1 极槽配合对空载反电势的影响

利用Ansys-Maxwell软件分别建立8极18槽、8极36槽和8极48槽内置永磁同步电机的二维有限元模型，仿真分析得出空载反电势波形和频谱图如图2、图3所示，大小分别为146 V、141 V、140 V。为了反映空载反电势的正弦度，对不同电机反电势的总谐波失真率(THD)进行了研究，定义为：

(1)

式中，U1为反电势基波分量有效值；Un为反电势谐波分量有效值。三台电机的空载反电势总谐波失真率计算结果如表3所示, 三台电机的空载反电势波形接近正弦波，总谐波失真率较低。

图2 不同极槽配合电机空载反电势波形

图3 不同极槽配合电机空载反电势频谱图

表3 不同极槽配合电机的空载反电势总谐波失真率

2.2 极槽配合对齿槽转矩波动的影响

三台电机空载条件下的齿槽转矩波形如图4所示，三台电机的齿槽转矩峰峰值分别为0.047 Nm、 0.045 Nm、0.274 Nm。分数槽电机相比于整数槽电机对齿槽转矩有削弱作用。

图4 不同极槽配合电机的空载齿槽转矩波形

3 极槽配合对高速弱磁性能影响分析

3.1 极槽配合对弱磁工况反电势的影响

弱磁工况的反电动势仅为负载时永磁体磁场感应电压。图5和图6计算并比较了转速为8000 r/min，最大功率18kW高速弱磁条件下不同电机的反电势波形和反电势谐波频谱图。由于所有被测电机的匝数都经过调整以获得相同额定转速下的空载反电势，高速弱磁条件下的反电动势与空载反电势的差值可以反映高速弱磁条件下磁饱和的影响。反电势总谐波失真率的计算结果如表4所示。可以看出，在转速为8000 r/min，功率为18 kW的条件下，三台电机的反电势明显失真。这有两个原因。首先，永磁漏磁通和电枢反应漏磁通共享齿尖，在高速弱磁条件下，随着转速的增加，所加的电流增大，永磁漏磁通和电枢反应漏磁通会升高，加剧了齿尖的磁饱和。其次，齿尖上增加的磁饱和会导致更大的磁链波动，最终降低基波反电动势。在不同极槽配合电机中，整数槽电机比分数槽电机有更高的反电动势失真。

图5 不同电机反电势波形(P=18 kW,n=8000 r/min)

图6 不同极槽电机反电势频谱图(P=18kW,n=8000 r/min)

表4 不同极槽配合电机的总谐波失真率(P=18kW)

3.2 极槽配合对转矩和转矩波动的影响

当电动汽车内置永磁同步电动机运行在基速以上时，由于逆变器电压的限制，需利用去磁d轴电枢反应使得输出电压满足最大限制要求，此时电机进入弱磁运行区。在高速弱磁工况下，不同极槽配合电机在功率为18 kW最高转速为8000 r/min条件下的磁密云图如图7所示。从图7中可以看到，磁饱和主要发生在定子齿尖部分。当进行恒功率弱磁调速时，为了维持高速运行时电压的平衡，直轴去磁电流id增加，产生的磁动势去磁作用增强，削弱了永磁体产生的气隙磁场，虽然使得电机的定子齿和定子轭部分的磁饱和程度降低；但是由于永磁体磁场与电枢磁场的相互作用，电机齿尖部分依然会出现不对称的局部磁饱和。

图7 高速弱磁工况三种极槽配合电机的磁密云图

在高速弱磁工况下，不同极槽配合电机功率为18 kW最高转速为8000 r/min条件下的输出转矩波形如图8所示。18槽、36槽、48槽电机转矩分别为21.53 Nm 、21.91 Nm 、21.21 Nm，在不同电机的比较中，18槽电机的转矩波动受齿尖磁饱和的影响最低为19.13%；36槽电机为24.46%，48槽电机为32.02%。说明分数槽电机相比于整数槽电机能够更好的削弱局部磁饱和对转矩波动的影响。

图8 高速弱磁工况不同极槽配合电机的输出转矩

三种极槽配合电机的转矩转速曲线如图9所示。可以看到36槽和48槽电机比18槽电机有更大的弱磁运行区域，但是18槽电机在高速弱磁工况下的转矩波动最低，为了保证电动汽车内置永磁同步电机在额定工况和高速弱磁工况都有良好的工作性能，综合考虑18槽电机为最佳的极槽配比。

图9 转矩-转速特性比较(U=220 V,I=85 A)

4 不同极槽配合电机电感参数的变化

对三台电机的电枢绕组施加不同的id和iq, 得到不同工况下的交直轴电感参数，如图10、图11、图12所示。在18槽电机中，Ld、Lq均会受到id、iq的影响。当iq较小时，随着去磁电流id的增加，Ld会明显升高，而当iq增大到一定值时，Ld不再随着id的升高而明显增加。整体上看，Ld、Lq都会随着iq的增加而降低，Lq受iq增加下降明显。相同的情况也可以从图11、图12中看到。

图10 18槽电机电感参数

图11 36槽电机电感参数

图12 48槽电机电感参数

5 结 论

本文对不同极槽组合的内置永磁同步电机高速弱磁条件下的反电动势、电磁转矩和转矩波动情况

进行了分析比较。仿真结果表明,高速弱磁条件下整数槽和分数槽内置永磁同步电机中都存在齿尖磁饱和现象，对电机性能影响很大。与分数槽电机相比，整数槽电机在反电势方面谐波较高，转矩波动较大。在弱磁扩速方面， 36槽和48槽的弱磁运行区域更大，但是整体上看，18槽电机有更低的转矩波动，受d、q轴电流的影响，Ld和Lq不再是常数，并且随着q轴电流的变大而降低。