新能源汽車用永磁輔助同步磁阻電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉穩(wěn)　李君妍　劉譯蔓

摘 要：新能源汽車對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求越來(lái)越高，不僅在效率、密度等方面有所體現(xiàn)，更是對(duì)性價(jià)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(jī)引起了人們的關(guān)注，并且永磁輔助式同步磁阻電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)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(dòng)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。首先介紹國(guó)外新能源汽車驅(qū)動(dòng)用永磁輔助式同步磁阻電機(jī)的開(kāi)發(fā)情況，綜述了該電機(jī)若干關(guān)鍵問(wèn)題的研究進(jìn)展，最后分析了其優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制特點(diǎn)。

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

控制特點(diǎn)

0 引言

本課題以一款商業(yè)化的電機(jī)（豐田 PRIUS 2010主驅(qū)動(dòng)電機(jī)）為基準(zhǔn)，使用結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元校核設(shè)計(jì)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(jì)工具，最終優(yōu)化設(shè)計(jì)得到一款各方面性能均優(yōu)異的永磁輔助同步磁阻電機(jī)。通過(guò)對(duì)比新設(shè)計(jì)電機(jī)與基準(zhǔn)電機(jī)的效率云圖和運(yùn)行特性曲線，來(lái)證實(shí)永磁輔助同步磁阻電機(jī)可以作為替代基準(zhǔn)電機(jī)應(yīng)用的極具競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品。

1 技術(shù)路線

1.1原理介紹

以基準(zhǔn)電機(jī)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(zhǎng)度及電機(jī)軸向長(zhǎng)度與基準(zhǔn)電機(jī)保持一致，自由變動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，以最大轉(zhuǎn)矩為目標(biāo)，改變氣隙半徑長(zhǎng)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(duì)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(dá)到具體的要求。用遺傳算法對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)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(fù)荷不變、磁鋼用量相同的前提下，通過(guò)對(duì)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，來(lái)達(dá)到轉(zhuǎn)矩密度更大、功率密度更高的設(shè)計(jì)目的。對(duì)比研究 PMa 電機(jī)與基準(zhǔn)電機(jī)，設(shè)計(jì)出在不增加材料費(fèi)用、不改變外部散熱條件和驅(qū)動(dòng)裝置的條件下，幾乎可以完全替代基準(zhǔn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)相同的驅(qū)動(dòng)能力的 PMa 電機(jī)。

2 PMa電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及假定條件

新設(shè)計(jì)的電機(jī)在如下方面與基準(zhǔn)電機(jī)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(zhǎng)度、電機(jī)軸向長(zhǎng)度。

使用上述條件，保證了新設(shè)計(jì)電機(jī)與基準(zhǔn)電機(jī)在性能、材料費(fèi)用上具有較高的可比性，方便對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)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(shí)的電機(jī)性能。

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，新結(jié)構(gòu)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩均可大于基準(zhǔn)電機(jī)。當(dāng)磁障層數(shù)為2層或3層時(shí)，兩者的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線幾乎完全重合，由此可以認(rèn)為當(dāng)前的基本尺寸約束下磁障層數(shù)大于2時(shí)已經(jīng)無(wú)法大幅提升電機(jī)性能。磁障層數(shù)愈多，加工工藝性愈差，兼顧電機(jī)性能和結(jié)構(gòu)工藝性要求，可認(rèn)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(jìn)行第2步優(yōu)化。第2步優(yōu)化時(shí)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(shí)參照第1步優(yōu)化得到的結(jié)果，設(shè)定一個(gè)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(jìn)行優(yōu)化。需要說(shuō)明的是，事實(shí)上可以只進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化，但這需要大量的計(jì)算時(shí)間。通過(guò)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(guò)優(yōu)化氣隙半徑，使得電機(jī)的負(fù)載能力提升4%。故而可以認(rèn)為新得到的電機(jī)結(jié)構(gòu)可以作為一個(gè)較優(yōu)的備選方案進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度校核計(jì)算，以期得到一款可應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的電機(jī)結(jié)構(gòu)。

3 新電機(jī)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(shí)需綜合考慮圓角后漏磁場(chǎng)的增加可能對(duì)電機(jī)性能造成的影響。調(diào)整仿真時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速使得轉(zhuǎn)子上最大應(yīng)力≤249 MPa，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速為12530 r/min，約為基準(zhǔn)電機(jī)的 93%。通過(guò)逐步調(diào)整各磁橋的形狀及圓角尺寸，

該新電機(jī)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)現(xiàn)有的研究進(jìn)行分析比較得到永磁輔助同步磁阻電機(jī)應(yīng)具備如下特點(diǎn)：與稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)有相同的功率密度與效率，但制造成本大幅降低，性價(jià)比高，不存在高速過(guò)壓風(fēng)險(xiǎn)，高溫時(shí)電機(jī)性能穩(wěn)定。本課題通過(guò)對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，對(duì)仿真運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際電機(jī)運(yùn)行劣勢(shì)與轉(zhuǎn)矩特性，微調(diào)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并與基準(zhǔn)電機(jī)進(jìn)行比較，來(lái)代替基準(zhǔn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)相同的驅(qū)動(dòng)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(xiàn)

[1] 黃啟振. 50kW電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用永磁輔助式同步磁阻電動(dòng)機(jī)研究[D].湖北工業(yè)大學(xué)，2015.

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