新能源汽車用永磁輔助同步磁阻電機的優(yōu)化設(shè)計

劉穩(wěn)　李君妍　劉譯蔓

摘 要：新能源汽車對于驅(qū)動電機的要求越來越高，不僅在效率、密度等方面有所體現(xiàn)，更是對性價比和安全性方面提出了更高的要求。為了解決成本和性能之間的矛盾，永磁輔助同步磁阻電機引起了人們的關(guān)注，并且永磁輔助式同步磁阻電動機與傳統(tǒng)的稀土永磁同步電動機具有相同的功率密度和效率，但制造成本大幅降低，在新能源汽車驅(qū)動領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。首先介紹國外新能源汽車驅(qū)動用永磁輔助式同步磁阻電機的開發(fā)情況，綜述了該電機若干關(guān)鍵問題的研究進展，最后分析了其優(yōu)化設(shè)計與控制特點。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 永磁輔助同步磁阻電機 優(yōu)化設(shè)計

控制特點

0 引言

本課題以一款商業(yè)化的電機（豐田 PRIUS 2010主驅(qū)動電機）為基準，使用結(jié)構(gòu)力學有限元校核設(shè)計了轉(zhuǎn)子內(nèi)薄弱區(qū)域結(jié)構(gòu)，以基于有限元法的遺傳算法為優(yōu)化設(shè)計工具，最終優(yōu)化設(shè)計得到一款各方面性能均優(yōu)異的永磁輔助同步磁阻電機。通過對比新設(shè)計電機與基準電機的效率云圖和運行特性曲線，來證實永磁輔助同步磁阻電機可以作為替代基準電機應(yīng)用的極具競爭力的新產(chǎn)品。

1 技術(shù)路線

1.1原理介紹

以基準電機為基礎(chǔ)，將定子外圓、定子槽面積、定子繞組參數(shù)、磁鋼使用量、氣隙長度及電機軸向長度與基準電機保持一致，自由變動電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，以最大轉(zhuǎn)矩為目標，改變氣隙半徑長度、磁鋼厚度及各磁鋼寬度、徑向磁障厚度、傾角，各層磁障間的厚度，保證平行齒條件下的定子槽寬，最內(nèi)層磁鋼與軸間的距離。分析不同品質(zhì)因數(shù)對性能的影響，得出一些結(jié)論從而根據(jù)具體的要求選取不同的品質(zhì)因數(shù)，以達到具體的要求。用遺傳算法對新結(jié)構(gòu)進行計算，分析、形成合理的結(jié)構(gòu)方案。

1.2研究方案

在保持熱負荷不變、磁鋼用量相同的前提下，通過對氣隙半徑、轉(zhuǎn)子內(nèi)磁障層數(shù)、轉(zhuǎn)子上其他組件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，來達到轉(zhuǎn)矩密度更大、功率密度更高的設(shè)計目的。對比研究 PMa 電機與基準電機，設(shè)計出在不增加材料費用、不改變外部散熱條件和驅(qū)動裝置的條件下，幾乎可以完全替代基準電機，實現(xiàn)相同的驅(qū)動能力的 PMa 電機。

2 PMa電機優(yōu)化設(shè)計

2.1 優(yōu)化設(shè)計方法及假定條件

新設(shè)計的電機在如下方面與基準電機保持一致：

（1） 定子外圓、定子槽面積、定子繞組參數(shù)；

（2） 磁鋼使用量；

（3） 氣隙長度、電機軸向長度。

使用上述條件，保證了新設(shè)計電機與基準電機在性能、材料費用上具有較高的可比性，方便對設(shè)計方案進行評估。

2.2 優(yōu)化結(jié)果及局部結(jié)構(gòu)調(diào)整

磁障層數(shù)的確定：

磁障的層數(shù)可有很多層，本文首先優(yōu)化了3層磁障結(jié)構(gòu)，以此為基礎(chǔ)研究1層、2層和4層結(jié)構(gòu)時的電機性能。

通過對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，新結(jié)構(gòu)電機的輸出轉(zhuǎn)矩均可大于基準電機。當磁障層數(shù)為2層或3層時，兩者的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線幾乎完全重合，由此可以認為當前的基本尺寸約束下磁障層數(shù)大于2時已經(jīng)無法大幅提升電機性能。磁障層數(shù)愈多，加工工藝性愈差，兼顧電機性能和結(jié)構(gòu)工藝性要求，可認為2層磁障是較為合理的布置，后續(xù)分析均以此結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。

得到轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案后，考慮氣隙半徑及定子槽型的變化進行第2步優(yōu)化。第2步優(yōu)化時以第1步優(yōu)化為基礎(chǔ)，即設(shè)定轉(zhuǎn)子上結(jié)構(gòu)參數(shù)變化范圍時參照第1步優(yōu)化得到的結(jié)果，設(shè)定一個較小的變化范圍以提高優(yōu)化速度。將上述所列參數(shù)設(shè)定為粗略的范圍，使用遺傳算法進行優(yōu)化。需要說明的是，事實上可以只進行第2步優(yōu)化，設(shè)置較寬的各結(jié)構(gòu)參數(shù)可變化范圍進行優(yōu)化，但這需要大量的計算時間。通過第2步優(yōu)化得到氣隙直徑約為180 mm。此二種結(jié)構(gòu)在定子繞組和永磁用量等關(guān)鍵參數(shù)相同的情況下，通過優(yōu)化氣隙半徑，使得電機的負載能力提升4%。故而可以認為新得到的電機結(jié)構(gòu)可以作為一個較優(yōu)的備選方案進行機械強度校核計算，以期得到一款可應(yīng)用于生產(chǎn)實際的電機結(jié)構(gòu)。

3 新電機分析

在此結(jié)構(gòu)下徑向磁障與切向磁障間，以及切向磁障中間均非常薄弱，需合理設(shè)置磁橋以保障結(jié)構(gòu)安全。在磁障兩端亦需做圓角處理以防止應(yīng)力集中，同時需綜合考慮圓角后漏磁場的增加可能對電機性能造成的影響。調(diào)整仿真時的電機轉(zhuǎn)速使得轉(zhuǎn)子上最大應(yīng)力≤249 MPa，得到電機的轉(zhuǎn)速為12530 r/min，約為基準電機的 93%。通過逐步調(diào)整各磁橋的形狀及圓角尺寸，

該新電機的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 結(jié)語

在對現(xiàn)有的研究進行分析比較得到永磁輔助同步磁阻電機應(yīng)具備如下特點：與稀土永磁同步電動機有相同的功率密度與效率，但制造成本大幅降低，性價比高，不存在高速過壓風險，高溫時電機性能穩(wěn)定。本課題通過對電機參數(shù)進行合理設(shè)置，對仿真運行結(jié)果進行分析，根據(jù)實際電機運行劣勢與轉(zhuǎn)矩特性，微調(diào)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并與基準電機進行比較，來代替基準電機，實現(xiàn)相同的驅(qū)動能力，提出一些適合在工程條件下應(yīng)用的控制方法。

參考文獻

[1] 黃啟振. 50kW電動汽車驅(qū)動用永磁輔助式同步磁阻電動機研究[D].湖北工業(yè)大學，2015.

[2] 劉偉. 37kW空壓機用異步起動永磁輔助式磁阻同步電動機研究[D].湖北工業(yè)大學，2015.