電動汽車混合永磁輔助磁阻同步電機研究

李新華,劉光華,崔舜宇,馬霽旻

(湖北工業大學，武漢 430068)

電動汽車混合永磁輔助磁阻同步電機研究

李新華,劉光華,崔舜宇,馬霽旻

(湖北工業大學，武漢 430068)

摘 要：針對鐵氧體永磁輔助式同步磁阻電機可能出現的不可逆退磁問題，研究了電動汽車驅動用鐵氧體和釹鐵硼混合永磁輔助磁阻同步電機。用有限元方法研究了混合永磁輔助磁阻同步電機的轉子結構，包括磁鋼槽形狀和相關尺寸的優化，重點研究電機峰值工況下鐵氧體的不可逆退磁問題，并與其他電機做了比較分析。研究結果表明，混合永磁電機與鐵氧體電機成本接近，但轉矩脈動率小，并較好地解決了鐵氧體永磁材料的不可逆退磁問題。

關鍵詞：電動汽車;混合永磁輔助磁阻同步電機;轉子優化;轉矩能力;不可逆退磁

0 引 言

電動汽車驅動用鐵氧體永磁輔助式同步磁阻電機(以下簡稱鐵氧體電機)因其性價比高、熱穩定性好、調速范圍寬以及沒有過壓風險，引起了人們的關注[1-3]。然而由于鐵氧體永磁材料內稟矯頑力不高，鐵氧體電機抗電樞反應能力較低，加上電動汽車驅動電機存在過載工況，在大電樞電流下可能出現不可逆退磁風險[4-9]。

近年來國外許多學者對鐵氧體電機的退磁問題進行了研究。文獻[7]研究了鐵氧體電機三層“U”字形轉子結構，在2.2倍過載電流時,磁鋼發生了少量不可逆退磁，3倍過載時退磁區域占磁鋼充磁表面積的10%。文獻[8]研究了鐵氧體電機三層“月”字形轉子結構的退磁情況，分析了磁鋼不同充磁方向厚度、弧長以及隔磁結構形狀等參數對去磁能力的影響，但在2.5倍過載時，磁鋼發生了不可逆退磁，3倍過載時退磁區域達到8 %。文獻[9]研究了鐵氧體電機僅在d軸放置磁鋼的四層轉子結構，在提高鐵氧體永磁材料性能參數(采用高牌號磁鋼)時才可以避免鐵氧體出現退磁。文獻[10]研究了一種采用鐵氧體和釹鐵硼混合永磁結構的同步電機，提出了一種避免不可逆退磁現象發生的方法，但是釹鐵硼用量較多，性價比不高。文獻[11]討論了兩層轉子結構的混合永磁同步電機，即“一”字形和“月”字形結構，該電機釹鐵硼用量明顯小于文獻[10]，但沒有討論峰值工況下鐵氧體的退磁問題。

針對鐵氧體電機可能出現的不可逆退磁問題，本文研究了電動汽車驅動用60 kW鐵氧體和釹鐵硼混合永磁輔助磁阻同步電機(以下簡稱混合永磁電機)。采用有限元方法研究了混合永磁電機的轉子結構，包括磁鋼槽形狀和相關尺寸及優化，重點研究電機峰值工況下鐵氧體的不可逆退磁問題，并與其他電機做了比較。研究結果表明，混合永磁電機與鐵氧體電機成本接近，但轉矩脈動率小，并較好地解決了鐵氧體永磁材料的不可逆退磁問題。

1 轉子結構

本文研究的60 kW混合永磁電機的主要技術數據如表1所示。

表1 混合永磁電機的主要技術數據

與鐵氧體電機相同，混合永磁電機的轉子結構與電機的轉矩能力、磁鋼用量以及可逆退磁等密切相關。下面討論2種典型的混合永磁電機轉子結構，一種是上層“一”字形釹鐵硼磁鋼，下層“月”字形鐵氧體磁鋼(以下簡稱“月”形槽電機)；另一種是上層“一”字形釹鐵硼磁鋼，下層“U”字形鐵氧體磁鋼槽(以下簡稱“U”形槽電機)。圖1是2種混合永磁電機的仿真模型，表2為2種混合永磁電機的仿真結果。

(a) “月”形槽電機

(b) “U”形槽電機

“月”形槽電機“U”形槽電機空載磁場基波幅值B/T0.480.55畸變率THD/%39.028.5空載電動勢基波有效值u/V83.695.0畸變率THD/%21.516.3額定工況電流i/A132132轉矩脈動率ΔT/%6.78.5峰值工況電流i/A302298轉矩脈動率ΔT/%5.46.3磁阻轉矩占比KT/%65.358.1

從表2可以看出，2種轉子結構混合永磁電機的轉矩能力相當，但“月”形槽電機的轉矩脈動率和磁阻轉矩占比略好于“U”形槽電機。下面重點討論2種轉子結構混合永磁電機峰值工況鐵氧體磁鋼的退磁問題。圖2是2種轉子結構混合永磁電機磁場仿真云圖，圖3是FB9B牌號鐵氧體的退磁曲線，圖4是磁鋼退磁率與電流過載倍數之間的關系曲線。

(a) “月”形槽電機

(b) “U”形槽電機

圖3 FB9B牌號鐵氧體的退磁曲線

圖4 退磁率與電流過載倍數關系曲線

圖3中,FB9B牌號鐵氧體低溫-60 ℃和-20 ℃時的退磁曲線在第二象限出現了轉折點，電動汽車用混合永磁電機通常要考察-20 ℃時鐵氧體磁鋼的不可逆退磁。FB9B在-20 ℃時退磁轉折點為0.087 T，磁密云圖最大磁密設置為0.087 T時磁鋼非灰色區域為退磁區域。可見在圖2(a)中鐵氧體退磁區域較小，而在圖2(b)中鐵氧體則沒有發生退磁。若電機出現3倍過載電流時，“U”形槽電機鐵氧體退磁區域占55%，而“月”形槽電機僅有1.2%。綜合轉矩性能和磁鋼安全考慮，“月”形槽電機是電動汽車混合永磁電機一個較好的選擇。

2 轉子結構優化

轉子結構優化主要是指磁鋼尺寸和在鐵心中位置的優化。優化的原則和目標是在保證磁鋼安全的前提下減小磁鋼用量，降低轉矩脈動率。

圖5是轉子槽內磁鋼和位置尺寸示意圖。上層槽內為釹鐵硼，徑向充磁方向厚度為H1，切向寬度為W1，與轉子外圓的距離為D1；下層槽內為鐵氧體，徑向充磁方向最大厚度為H2。優化過程中當討論H1變化對轉矩脈動率和峰值電流影響時，其他變量一定，其余類似。磁鋼和位置尺寸優化關系曲線如圖6所示。優化過程中要保證磁鋼不發生不可逆退磁現象。

圖5 磁鋼和位置尺寸

由圖6(a)可以看出，釹鐵硼磁鋼厚度增加，轉矩脈動率上升，其原因是隨著磁鋼厚度的增加，磁阻也增加，齒槽轉矩變大所致。從圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)可知，當W1，H2和D1為某一個值時轉矩脈動率較低，如釹鐵硼切向寬度W1=22 mm，轉矩脈動率最低。綜合考慮制造成本與電機性能，轉子優化前后尺寸及性能如表3所示。優化后比優化前釹鐵硼磁鋼用量減少了25%，鐵氧體磁鋼用量不變，且由于釹鐵硼磁鋼用量的減少，峰值電流有所增加，但幅度不大；額定和峰值轉矩脈動率略有減少。

(a) 釹鐵硼磁鋼徑向厚度

(b) 釹鐵硼磁鋼切向寬度

(c) 鐵氧體磁鋼徑向厚度

(d) 釹鐵硼磁鋼深度

優化前優化后額定工況峰值電流i/A132134轉矩脈動率ΔT/%6.76.4峰值工況峰值電流i/A302309轉矩脈動率ΔT/%5.44.1釹鐵硼H1/mm43W1/mm2222D1/mm54鐵氧體H2/mm1212

3 比較分析

下面將混合永磁電機與鐵氧體電機、少釹鐵硼電機就性價比方面進行比較。少釹鐵硼電機實際上是一種采用釹鐵硼永磁材料的永磁輔助式磁阻同步電機，這種電機既避免了鐵氧體電機可能出現的退磁風險，又減小了磁鋼用量，比內置式釹鐵硼永磁同步電機性價比有所提高，寶馬i3、豐田普銳斯所采用的新一代驅動電機便是少釹鐵硼電機。

為了便于比較，分別設計了混合永磁電機、鐵氧體電機和少釹鐵硼電機3種 60 kW電動汽車驅動電機，極槽配合都選擇6極45槽，轉子結構如圖7所示。圖7(b)的少釹鐵硼電機也算是一種多層轉子結構，通過提高磁阻轉矩來降低釹鐵硼磁鋼用量，這里采用寶馬i3轉子結構。3種永磁電機的性能仿真結果和成本估算如表4所示。

(a) 鐵氧體電機

(b) 少釹鐵硼電機

(c) 混合永磁電機

參數鐵氧體電機少釹鐵硼電機混合永磁電機鐵心軸向長l/mm315290290額定工況峰值電流i/A132132132轉矩脈動率ΔT/%8.09.86.4鐵心損耗pFe/kW0.380.330.37銅耗pCu/kW1.431.351.35效率η/%97.097.397.2峰值工況峰值電流i/A292301309轉矩脈動率ΔT/%8.110.64.1磁阻轉矩占比KT/%72.150.164.7峰值退磁占比Kp/%第二層19.400鐵心損耗pFe/kW0.460.410.46銅耗pCu/kW6.987.017.39效率η/%94.294.293.9材料質量m/kg定轉子鐵心158.4145.8145.8漆包線212020釹鐵硼03.50.9鐵氧體8.906.2估計材料成本/元定轉子鐵心951875875漆包線1 0501 0001 000釹鐵硼01 750450鐵氧體7120496估計總成本2 7133 6252 821

由表4可以發現，少釹鐵硼電機和混合永磁電機鐵心軸向長度相同，鐵氧體電機略有增加；3種電機的額定效率都可以達到97%，但混合永磁電機的轉矩脈動率是最低的，鐵氧體電機次之，少釹鐵硼電機最大；少釹鐵硼電機和混合永磁電機都沒有出現不可逆退磁現象，而鐵氧體電機在峰值情況下鐵氧體發生了不可逆退磁，退磁率達19.4%，這表明鐵氧體電機需要使用更高牌號的磁鋼才可以避免峰值工況下發生不可逆退磁。

另一方面，少釹鐵硼電機有效材料成本最高，混合永磁電機和鐵氧體電機相差不大,但鐵氧體電機為多層轉子結構，在工藝上比單層或雙層更加復雜，

制造成本會更高，并且為了解決鐵氧體不可逆退磁問題會用到更高牌號的鐵氧體，增加材料成本。因此綜合電機性能和成本考量，混合永磁電機還是具有一定的競爭優勢的。

4 結 語

1) 混合永磁電機的轉子磁鋼尺寸、形狀和布局對轉矩能力、性能以及磁鋼安全性密切相關。“月”形槽電機雖然在峰值電流上略大于“U”形槽電機，但其抗不可逆退磁能力強，轉矩脈動率低，磁阻轉矩利用率高，整體要優于“U”形槽電機。

2) 與少釹鐵硼電機和鐵氧體電機相比，混合永磁電機不僅能避免鐵氧體發生不可逆退磁，而且轉矩脈動率和材料成本也較低，在電動汽車驅動用電機中具有一定的競爭優勢。

[1] 李新華,劉偉,趙云.新能源汽車永磁輔助式同步磁阻電機研發綜述[C]//中國小電機技術研討會.上海，2014：46-60.

[2] 李新華,阮波,徐竟成,等.電動大巴永磁輔助磁阻同步電動機仿真分析[J].微特電機,2014,42(3):1-3.

[3] 李新華,張家思,王曉光.電動汽車集中繞組永磁輔助式同步磁阻電機研究[C]//中國小電機技術研討會.上海，2016：33-38.

[4] JEONG C L,JIN H.A novel proposal to improve reliability of spoke-type BLDC motor using ferrite permanent magnet[C]//Energy Conversion Congress and Exposition.IEEE,2015:1878-1884.

[5] KIM H J,KIM D Y,HONG J P.Structure of concentrated-flux-type interior permanent-magnet synchronous motors using ferrite permanent magnets[J].IEEE Transactions on Magnetics,2014,50(11):1-4.

[6] BARCARO M,BIANCHI N.Interior PM machines using ferrite to replace rare-earth surface PM machines[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2014,50(2):979-985.

[7] TARIQ A R,NINO-BARON C E,STRANGAS E G.Consideration of magnet materials in the design of PMSMs for HEVs application[C]//Power and Energy Society General Meeting.IEEE,2011:1-6.

[8] PETROV I,PYRHONEN J.Performance of low-cost permanent magnet material in pm synchronous machines[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(6):2131-2138.

[9] OBATA M,MORIMOTO S,SANADA M,et al.Characteristic of PMASynRM with ferrite magnets for EV/HEV applications[C]//International Conference on Electrical Machines and Systems.IEEE,2013:1-6.

[10] SANADA M,INOUE Y,MORIMOTO S.Rotor structure for reducing demagnetization of magnet in a PMASynRM with ferrite permanent magnet and its characteristics[C]//IEEE Energy Conversion Congress and Exposition.IEEE,2011:4189-4194.

[11] PARADKAR M,BOECKER J.Design of a high performance ferrite magnet-assisted synchronous reluctance motor for an electric vehicle[C]//IECON 2012 -,Conference on IEEE Industrial Electronics Society.IEEE,2012:4099-4103.

[12] JEONG C L,HUR J.Design technique for PMSM with hybrid type permanent magnet[C]//2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference,Miami,FL,USA,2017:1-6.

[13] YU M.Analysis of hybrid permanent magnet assisted synchronous reluctance motor for compressor[C]//International Conference on Electrical Machines and Systems.IEEE,2013:1256-1259.

ResearchonHybridPermanentMagnetAssistedSynchronousReluctanceMotorforElectricVehicle

LIXin-hua,LIUGuang-hua,CUIShun-yu,MAJi-min

(Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)

Abstract:In view of the possible irreversible demagnetization problem of ferrite permanent magnet-assisted synchronous reluctance motor, ferrite and NdFeB hybrid permanent magnet assisted synchronous reluctance for electric vehicle was studied. The rotor structure of hybrid permanent magnet assisted synchronous reluctance motor was discussed by finite element method, including the optimization of the shape and the relative size of the magnetic steel groove, irreversible demagnetization of ferrite under the peak condition was studied and made the comparative analysis with other motors. The results show that the cost of the hybrid permanent magnet motor was closed to that of the ferrite, but the torque ripple rate was low, and the irreversible demagnetization problem of the ferrite permanent magnet material is well solved.

Key words：electric vehicles; hybrid permanent magnet assisted synchronous reluctance motors; rotor optimization; torque capability; irreversible demagnetization

中圖分類號：TM351；TM352

A

1004-7018(2018)05-0006-03

2017-08-23