電動汽車用永磁輔助同步磁阻電機轉(zhuǎn)子優(yōu)化

劉棟良， 李阿強， 劉偉， 汪建

(1．杭州電子科技大學 自動化學院，浙江 杭州 310018； 2．臥龍電氣驅(qū)動集團股份有限公司，浙江 上虞 312300)

0 引 言

電機是新能源電動汽車重要的動力源，目前電動汽車電機的主要類型有永磁同步電機(permanent magnet synchronous motor，PMSM)、感應電機和開關磁阻電機等[1]，國內(nèi)外新能源汽車廠商大多采用永磁同步電機作為驅(qū)動電機[2]。從2018年中國電機行業(yè)分析報告可以看出電機約占新能源汽車成本的15%，而永磁體又約占永磁同步電機成本的45%。由此可見，永磁體價格和用量對電機成本乃至新能源汽車成本影響很大。

永磁輔助同步磁阻電機(permanent magnet assisted synchronous reluctance machine，PMA-SynRM)由于對稀土依賴性小，調(diào)速范圍寬，驅(qū)動效率高等原因，越來越多的國內(nèi)外學者對永磁輔助同步磁阻電機進行了關注與研究[3-6]。永磁輔助同步磁阻電機是在同步磁阻電機轉(zhuǎn)子磁障中插入一定量的低性能永磁體而來[7]，它的結(jié)構(gòu)類似于永磁同步電機。和永磁同步電機相比，永磁輔助同步磁阻電機使用少稀土或無稀土的結(jié)構(gòu)，其生產(chǎn)成本更低，更適合作為A0和A00級電動汽車的驅(qū)動電機。與此同時，其轉(zhuǎn)矩性能也稍弱于永磁同步電機。因此，如何提高永磁輔助同步磁阻電機的轉(zhuǎn)矩性能是該類電機研究的熱點。

文獻[8]研究了電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)對PMA-SynRM力矩性能的影響，得出空氣氣隙長度以及轉(zhuǎn)子肋寬是影響電機力矩性能的重要參數(shù)，而添加永磁體的長度和寬度對磁阻轉(zhuǎn)矩的影響不大。所以在轉(zhuǎn)子優(yōu)化時可以重點關注空氣氣隙長度和轉(zhuǎn)子肋寬。文獻[9]提出了一種新型混合永磁輔助同步磁阻電動機，采用稀土永磁體和鐵氧體永磁體兩種永磁材料，采用分層設計的方法對其轉(zhuǎn)子進行設計以減少稀土材料的使用，研究了其轉(zhuǎn)矩性能和鐵氧體的抗退磁能力，但未討論其最終的轉(zhuǎn)矩性價比。

文獻[10]提出了一種用于空調(diào)壓縮機的混合永磁輔助同步磁阻電動機，基于二維有限元模型，分析了氣隙長度、飽和度和永磁體厚度等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，根據(jù)分析可以利用有限元仿真方法來優(yōu)化轉(zhuǎn)子參數(shù)。文獻[11]提出了一種優(yōu)化鐵氧體永磁體的形狀和尺寸的方法，以及在永磁輔助型同步磁阻電機中減少轉(zhuǎn)矩脈動和最大化反電動勢所需的永磁體布置方式；分析了4種用于永磁輔助型同步磁阻電機的永磁體布置方法，所以在混合勵磁情況下更應該考慮布置方式。

文獻[12]針對無軸承同步磁阻電機功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩密度都較低的缺陷，采用了轉(zhuǎn)子附加永磁體的永磁輔助無軸承同步磁阻電機，確定了永磁體的用量和安放的位置，使其轉(zhuǎn)矩和懸浮力脈動顯著降低，轉(zhuǎn)矩密度和功率因數(shù)明顯提高。文獻[13]對PMA-SynRM磁場諧波及徑向電磁力進行分析，總結(jié)出徑向激振力階次和頻率的特點，提出通過合理設計磁障跨角削弱磁場諧波，進而減小徑向力波幅值，有效抑制電機徑向振動。綜上所述：可以利用有限元仿真方法優(yōu)化分析非對稱混合勵磁PMA-SynRM及其性價比。

本文根據(jù)現(xiàn)有的PMSM，對其進行轉(zhuǎn)子再設計成PMA-SynRM，提出了一種新的PMA-SynRM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，首先分析了該電機的數(shù)學模型。然后從提高其平均轉(zhuǎn)矩以及降低其轉(zhuǎn)矩脈動的角度，借助有限元分析軟件對其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化建模，并對該電機以及原PMSM的電磁性能進行仿真分析。最后，進行樣機試做并搭建樣機測試平臺，驗證了該電機具有較高的轉(zhuǎn)矩性價比以及較低的轉(zhuǎn)矩脈動。

1 永磁輔助同步磁阻電機轉(zhuǎn)子設計

1.1 原永磁同步電機參數(shù)與結(jié)構(gòu)

原8極48槽永磁同步電機的1/8結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該電機為典型的凸極式永磁同步電機，其轉(zhuǎn)矩包括永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩，其中永磁轉(zhuǎn)矩占主要成分。

圖1 永磁同步電機結(jié)構(gòu)

該永磁同步電機的主要參數(shù)如表1所示。1 000 r/min時，其峰值轉(zhuǎn)矩可達到223 N·m，可用作為乘用車級別電動汽車的驅(qū)動電機。此外，仿真可以得到其轉(zhuǎn)矩脈動高達24.88%，對于乘用車來說，如此高的轉(zhuǎn)矩脈動將嚴重影響汽車動力性能以及駕乘體驗。

表1 永磁同步電機主要參數(shù)

1.2 永磁輔助同步磁阻電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

為了獲得更高的轉(zhuǎn)矩性能，同時采用鐵氧體和釹鐵硼混合輔助勵磁，進行轉(zhuǎn)子再設計而來的永磁輔助同步磁阻電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 混合永磁輔助型同步磁阻電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

圖2為混合永磁輔助同步磁阻電機轉(zhuǎn)子的1/4結(jié)構(gòu)示意圖，將圖2順時針旋轉(zhuǎn)一圈可形成完備轉(zhuǎn)子。如圖2所示：第一層空氣磁障底部嵌入釹鐵硼永磁體；第二層空氣磁障底部嵌入鐵氧體Y30BH，兩臂分別嵌入鐵氧體永磁體與釹鐵硼永磁體，并且相鄰兩極的兩相鄰空氣磁障臂嵌入相同類型的永磁體。這樣通過永磁體的不對稱放置形成轉(zhuǎn)子磁鏈的局部不對稱的效果，不需要過于復雜的工藝來做成非對稱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，可以節(jié)約加工成本以及降低轉(zhuǎn)矩脈動。

這里電機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)只是暫時選取的，下文會選取主要參數(shù)利用電機仿真軟件ANSYS Electronics逐個進行參數(shù)化掃描，由參數(shù)化掃描結(jié)果選取最終的數(shù)值。

2 混合永磁輔助同步磁阻電機數(shù)學模型

混合永磁輔助型同步磁阻電機就是使用多種永磁材料進行輔助勵磁的永磁輔助型同步磁阻電機，釹鐵硼永磁體雖然磁能積較高，但是價格也比較昂貴；而鐵氧體永磁體雖然相對來說磁能積略低，但是成本也大概是釹鐵硼永磁體的十分之一。通過合適的調(diào)整兩種永磁體的占比可以獲得高的轉(zhuǎn)矩性價比以及較高的轉(zhuǎn)矩密度。根據(jù)文獻[14]建立同步磁阻電機在d-q軸坐標下的數(shù)學模型。

電壓方程為：

(1)

磁鏈方程為：

(2)

轉(zhuǎn)矩方程為

Te=pn(ψdiq-ψqid)=pn(Ld-Lq)idiq。

(3)

式中：ud、uq分別為d、q軸電壓；id、iq分別為d、q軸電流；Ld、Lq分別為d、q軸電感；Rs為定子電阻；ψd、ψq分別為d、q軸磁鏈；ω為轉(zhuǎn)子電角速度；Te為電機電磁轉(zhuǎn)矩；pn為電機極對數(shù)。

根據(jù)上面方程組可以寫出該混合永磁輔助同步磁阻電機在d-q軸坐標下的電壓方程為：

(4)

磁鏈方程為：

(5)

轉(zhuǎn)矩方程為：

Te=pn[(ψdFe+ψdNd)iq+Ldidiq-

(ψqFe+ψqNd)id-Lqiqid]。

(6)

式中：ψdFe、ψqFe分別為鐵氧體磁鏈d、q軸分量；ψdNd、ψqNd分別為釹鐵硼磁鏈d、q軸分量。轉(zhuǎn)矩和磁鏈密切相關，通過對混合永磁體布置方式和部分轉(zhuǎn)子參數(shù)的分析可以對轉(zhuǎn)矩進行研究。

3 轉(zhuǎn)子優(yōu)化與有限元分析

3.1 混合永磁體布置方式的選擇

在討論轉(zhuǎn)子具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化之前，先考慮永磁體的布置方式。在現(xiàn)有的永磁輔助型同步磁阻電機中永磁體的布置方式相對簡單，本文所采用得是混合永磁勵磁的方式，永磁體的布置就顯得尤其重要，圖3列出了永磁體的4種布置方式，分別命名為AA型、BB型、ABA型和BABA型。圖中箭頭指示的①表示布置的是釹鐵硼永磁體，②表示布置的是鐵氧體永磁體，每種轉(zhuǎn)子布置類型未指示的為布置的是另一種永磁體型號。

圖3 永磁體排列的4種方式

圖3中AA型排列和BB型排列均為常見的單極對稱性排列；而ABA型排列以及BABA型排列均為單極不對稱的排列，其中ABA型排列又為相鄰兩極呈對稱性排列，BABA型排列相鄰兩極也呈非對稱性。

對上述4種混合永磁排列方式的電機分別進行有限元仿真，在1 000 r/min下仿真得峰值轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動如表2所示，可以看出BB型排列的電機峰值轉(zhuǎn)矩最大，但是其轉(zhuǎn)矩脈動也較大；而ABA型排列的電機轉(zhuǎn)矩脈動最小，其峰值轉(zhuǎn)矩也較大。并且BB型排列使用了大量的釹鐵硼，勢必使其成本大幅增加。

表2 各永磁體排列電機的峰值轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動

綜上，ABA型這種非對稱的永磁體布置方式可以降低電機的轉(zhuǎn)矩脈動，同時具有較高的峰值轉(zhuǎn)矩。因此，本文選擇在這種永磁體排列方式的基礎上進行轉(zhuǎn)子參數(shù)化建模。

3.2 永磁輔助同步磁阻電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)所提出的混合永磁輔助同步磁阻電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，利用仿真軟件ANSYS Electronics分別建立原永磁同步電機、混合永磁輔助同步磁阻電機的有限元模型，并對混合永磁輔助同步磁阻電機模型進行參數(shù)化尋優(yōu)[15]。如圖4所示，這里選取的參數(shù)有轉(zhuǎn)子的肋寬r，轉(zhuǎn)子的肋高R，外層空氣磁障底部永磁體長度w1，內(nèi)層空氣磁障底部永磁體長度w2，內(nèi)層空氣磁障臂永磁體長度w3，以及內(nèi)、外層空氣磁障底部與減重孔的距離d1、d2。

圖4 混合永磁輔助同步磁阻電機轉(zhuǎn)子參數(shù)示意圖

異形永磁加工成本較高，相應價格也較高，為降低電機成本，這里都采用規(guī)則的矩形塊永磁體，永磁體寬度采用和原永磁同步電機永磁體相同的寬度，均為3.8 mm的寬度，考慮到機械性能以及空氣磁障寬度的約束，d2的取值不小于9 mm。

首先取電機轉(zhuǎn)子的肋寬r的取值范圍為[0.6 mm，4 mm]，步長為0.2 mm，利用仿真軟件ANSYS Electronics建立相應的電機2D模型并對其進行參數(shù)化掃描，通過仿真計算得到該永磁輔助同步磁阻電機在各個肋寬r下的平均轉(zhuǎn)矩及其轉(zhuǎn)矩脈動變化，如圖5所示。

圖5 平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動隨肋寬r的變化

由圖5可以看出隨著r的增大，平均轉(zhuǎn)矩一直增大，而轉(zhuǎn)矩脈動先減小后增大；其中當r=1.8 mm時轉(zhuǎn)矩脈動最低，其值為0.093，雖然繼續(xù)增大r可以提高平均轉(zhuǎn)矩，但是平均轉(zhuǎn)矩增加的幅度降低，同時轉(zhuǎn)矩脈動增加較多，綜合考慮平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動以及機械性能，r在1.8 mm左右取得較好的優(yōu)化效果。

結(jié)合轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)取轉(zhuǎn)子肋高R的范圍為[8 mm，13 mm]，步長為0.5 mm進行參數(shù)掃描，仿真計算得平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動結(jié)果如圖6所示，由圖6可知隨著R的增大，轉(zhuǎn)矩脈動先下降而后快速上升，在R=8.5 mm時取得最小值0.036，而平均轉(zhuǎn)矩先增加后減少，在R=10.5 mm時可取得最大值174.6 N·m。

圖6 平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動隨R的變化

取d1的范圍為[0.5 mm，4.5 mm]，步長為0.5 mm進行參數(shù)掃描，仿真計算得平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動如圖7所示，由圖可知平均轉(zhuǎn)矩在d1=3.5 mm時取得最大值173.8 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動在d1=3 mm時取得最小值0.093，并且平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動在d1=3 mm到d1=3.5 mm之間變化不大。

圖7 平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動隨d1的變化

由于d2的選取包含了空氣磁障的厚度，結(jié)合沖片的機械性能選取d2的范圍為[9 mm，12 mm]，步長為0.5 mm進行參數(shù)掃描，仿真計算得到平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動如圖8所示，由圖可知平均轉(zhuǎn)矩在d2=10 mm時取得最大值173.8 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動在d2=10 mm到d2=11 mm時都較小，由于平均轉(zhuǎn)矩在d2=10 mm時更接近最大值，故可選取d2=10 mm。

圖8 平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動隨d2的變化

為了更形象的說明參數(shù)d1和d2對平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動的影響，這里選取兩組參數(shù)進行對比分析，第一組選取d1=3 mm、d2=10 mm；第二組選取d1=0.5 mm、d2=12 mm分別進行仿真分析。兩組參數(shù)下的電機磁力線分布對比如圖9所示。

圖9 兩組參數(shù)下的磁力線分布對比

由圖9可以看出，僅在虛線方框框出來的部分，磁力線的密度和磁力線路徑長度有所區(qū)別，第一組的磁力線分布更加密集且磁力線路徑較短，因此第一組情況下的電機轉(zhuǎn)矩性能稍好，從轉(zhuǎn)矩性能仿真結(jié)果可以得出第一組得平均轉(zhuǎn)矩為173.8 N·m、轉(zhuǎn)矩脈動為0.093，第二組得平均轉(zhuǎn)矩為171.8 N·m、轉(zhuǎn)矩脈動為0.1，這和磁力線的分布情況是一致的。由此可以，參數(shù)d1和d2對電機的轉(zhuǎn)矩性能有所影響，但是影響不是很明顯，因此在轉(zhuǎn)子優(yōu)化分析的過程中參數(shù)d1和d2的優(yōu)化權(quán)重可以放低一些。

取w1的范圍為[12 mm，20 mm]，步長為1 mm進行參數(shù)掃描，仿真計算得平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動結(jié)果如圖10所示。

圖10 平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動隨w1的變化

由圖10可知平均轉(zhuǎn)矩隨w1的增大而直線上升，采用更多的磁材料可以提高電機的永磁轉(zhuǎn)矩，這里要考慮永磁體的有效利用率來提高電機的轉(zhuǎn)矩性價比。轉(zhuǎn)矩脈動先快速降低后趨于某一均值波動，轉(zhuǎn)矩脈動在w1=19 mm時取得最小值0.091。

同理，分別取w2、w3的范圍為[12 mm，26 mm]和[4 mm，12 mm]，步長均為1 mm進行參數(shù)掃描，仿真計算得平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動結(jié)果分別如圖11和圖12所示，由圖11可知平均轉(zhuǎn)矩隨w2的增大而增大，而轉(zhuǎn)矩脈動波動較大，但總體趨勢為逐漸減小。考慮到空氣磁障底層結(jié)構(gòu)，暫時選取w2=24 mm。而由圖12可以看出平均轉(zhuǎn)矩依然隨著永磁體的添加而逐漸提高，而轉(zhuǎn)矩脈動隨著永磁體的添加先減小后增加。在w3>8 mm時增加較多，并且w3為5～8 mm時轉(zhuǎn)矩脈動變化不大。

圖11 平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動隨w2的變化

圖12 平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動隨w3的變化

由w1、w2、w3的參數(shù)掃描結(jié)果可以看出，平均轉(zhuǎn)矩均隨著永磁體用量的提升而增大，這和混合永磁輔助同步磁阻電機數(shù)學模型中的轉(zhuǎn)矩公式是相對應的，即從式(6)中也可以看出電磁轉(zhuǎn)矩中的永磁轉(zhuǎn)矩與永磁磁鏈呈正相關。

由圖6可以看出，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的參數(shù)R對電機轉(zhuǎn)矩脈動以及平均轉(zhuǎn)矩影響較大，如圖13所示，這里考慮改變外層空氣磁障臂的寬度，定義其為參數(shù)L，取L的范圍為[0，4 mm]，步長為0.2 mm進行參數(shù)掃描，仿真計算得平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動結(jié)果如圖14所示，由圖可知參數(shù)L對轉(zhuǎn)矩脈動的影響較大，隨著L的逐漸增大，平均轉(zhuǎn)矩先逐漸增大后趨于平穩(wěn)，而轉(zhuǎn)矩脈動先減小后增大，在L=2.4 mm時取得最小值0.027。

圖13 轉(zhuǎn)子沖片外層空氣磁障臂寬度L

圖14 平均轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動隨L的變化

綜上所述，考慮到平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動以及機械性能等因素，分別取r=1.8 mm、R=9.5 mm、d1=3 mm、d2=10 mm、w1=18 mm、w2=24 mm、w3=7 mm、L=2.4 mm。

3.3 電機性能對比

基于上述選定的永磁輔助同步磁阻電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真得原永磁同步電機的峰值轉(zhuǎn)矩時間曲線和新型永磁輔助同步磁阻電機的峰值轉(zhuǎn)矩時間曲線，如圖15所示。

圖15 峰值轉(zhuǎn)矩時間曲線對比

從圖15中可以看出，原型永磁同步電機的峰值轉(zhuǎn)矩平均值為223.6 N·m、轉(zhuǎn)矩脈動為0.25；永磁輔助同步磁阻電機的峰值轉(zhuǎn)矩平均值為170.3 N·m、轉(zhuǎn)矩脈動為0.06。可知，雖然新型電機的峰值轉(zhuǎn)矩有所下降，但是轉(zhuǎn)矩脈動比原型電機下降了76%，轉(zhuǎn)矩脈動的改善效果十分顯著。

齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生也會影響電機的運行性能，特別是對電動汽車電機，齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生會導致轉(zhuǎn)矩脈動上升，從而產(chǎn)生機械振動與噪聲，影響駕乘體驗。兩種電機的齒槽轉(zhuǎn)矩波形對比如圖16所示，從圖中可以看出，PMSM和PMA-SynRM的齒槽轉(zhuǎn)矩周期數(shù)都是2，這是因為兩種電機均為8極48槽。此外，通過波形對比可知無論是齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值還是波形對稱性，PMA-SynRM都比PMSM要好，PMA-SynRM齒槽轉(zhuǎn)矩的最大值為610.3 mN·m，最小值為-616.4 mN·m；而PMSM齒槽轉(zhuǎn)矩的最大值為721.5 mN·m，最小值為-1 240.7 mN·m。可以看出，PMSM齒槽轉(zhuǎn)矩的峰值均比PMA-SynRM的大得多，這也是PMA-SynRM轉(zhuǎn)矩脈動要比PMSM低的多的原因之一。

圖16 齒槽轉(zhuǎn)矩對比分析

空載反電勢是電機的眾多關鍵指標之一，在電機空載時，它是由氣隙磁通在定子繞組中感應而產(chǎn)生的；理想情況下的反電勢波形為正弦波，但是由于定子繞組形狀和匝數(shù)、電機中的氣隙分布、轉(zhuǎn)子中的永磁體勵磁等因素的影響，使得電機反電勢中含有許多諧波分量。而這些諧波分量將會影響到電機的紋波轉(zhuǎn)矩的大小，同時也會產(chǎn)生較高的諧波損耗[16]。在轉(zhuǎn)速同為1 000 r/min的情況下，兩種電機各自的空載反電勢A相波形對比如圖17所示，可以看出PMA-SynRM的空載反電勢幅值比PMSM低得多，PMA-SynRM的空載反電勢峰值為17.9 V，而PMSM的空載反電勢峰值為33.6 V。

圖17 PMSM和PMA-SynRM的空載反電勢波形對比

兩種電機的空載反電勢傅里葉分析結(jié)果如圖18所示。

圖18 兩種電機的空載反電勢FFT分析

從圖18中可以看出PMSM的基波幅值比PMA-SynRM要高；PMA-SynRM空載反電勢的諧波成分主要為3次諧波和極少量的13次諧波，而PMSM的3、5、9、11次諧波幅值均較高，并且PMSM的畸變率為17.27%；而PMA-SynRM的畸變率僅為10.96%，比PMSM降低了6.31個百分點，這就造成PMA-SynRM的紋波轉(zhuǎn)矩較小，從而使得其轉(zhuǎn)矩脈動較低。同時PMA-SynRM的諧波成分主要為3次諧波，其余諧波分量很小，可以忽略；并且兩種電機實際上均為三相繞組供電，因此3次以及3的倍數(shù)次反電勢諧波會被自動消除，從而實際中PMA-SynRM的反電勢波形畸變率會更低。

4 樣機實驗與轉(zhuǎn)矩性價比分析

為了驗證仿真的正確性，在前面仿真優(yōu)化的基礎上試制一臺樣機，并利用新能源電動汽車測試臺架搭建實驗平臺。根據(jù)前面對轉(zhuǎn)子的再設計和優(yōu)化，并由最終確定的轉(zhuǎn)子尺寸制作了轉(zhuǎn)子沖片，兩種電機轉(zhuǎn)子沖片實物圖如圖19所示，圖19(a)為PMA-SynRM的轉(zhuǎn)子沖片，圖19(b)為原PMSM的轉(zhuǎn)子沖片，電機測試平臺如圖20所示。

圖19 PMA-SynRM與PMSM轉(zhuǎn)子沖片

圖20 電機測試平臺

由于電機空載反電勢受溫度影響較大，因此首先用示波器測量了新型電機U、V、W三相的空載反電勢，示波器測得的空載反電勢波形如圖21所示，從圖中可以看出，兩相間的線電壓有效值為24.46 V；而從圖17中可以看出仿真的PMA-SynRM空載反電勢峰值為17.9 V，因此其有效值為12.7 V，又因仿真的是相電壓，將其換算為線電壓為21.9 V。可以看出仿真和實測的結(jié)果相差為2.56 V，在誤差允許范圍之內(nèi)[17]，以實測為準。

圖21 示波器測得PMA-SynRM空載反電勢波形

導出樣機兩相間的線電壓并進行傅里葉分析，其FFT分析結(jié)果如圖22所示。

圖22 實測空載反電勢FFT分析

由圖22可以看出，實驗測得反電勢的諧波含量非常低，各高次諧波均可忽略，總體的畸變率也只有1.95%，可見該樣機的反電勢已經(jīng)非常理想。與仿真結(jié)果相比，實測的反電勢幾乎沒有3次諧波，而仿真的結(jié)果也是3次諧波含量較多，因此與仿真相比，實測的反電勢總體的畸變率降低了9.01百分點；除了3次諧波，實驗結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致，驗證了仿真的可行性。

電機設計的峰值轉(zhuǎn)速為9 000 r/min，選擇步長為500 r/min進行測試，樣機的電動外特性曲線如圖23所示，從該樣機的電動轉(zhuǎn)矩外特性圖看出，該電機在500～3 500 r/min速度區(qū)間可以輸出最大轉(zhuǎn)矩170 N·m。在峰值轉(zhuǎn)速9 000 r/min時可以輸出53.1 N·m。從該樣機的電動功率外特性圖看出，該電機在500 r/min至3 500 r/min速度段輸出的功率直線增加，在3 500 r/min至9 000 r/min速度段輸出的功率略微降低。輸出的最大功率為63.2 kW，在峰值轉(zhuǎn)速9 000 r/min時可以輸出50 kW。

圖23 樣機電動外特性曲線

樣機設計的額定工況為：額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min、額定轉(zhuǎn)矩90 N·m、額定功率28 kW。為驗證電機運行的效率，用測功機進行測試，結(jié)果如圖24所示。額定工況下的樣機效率為93.42%，滿足設計需求。

圖24 樣機電動狀態(tài)下的效率MAP

由于兩種電機的定子、機殼以及轉(zhuǎn)軸等都是共用的，而新型PMA-SynRM的轉(zhuǎn)子中使用了大量的鐵氧體永磁體去替代釹鐵硼永磁體，故而可以大大降低電機的制造成本，PMSM和PMA-SynRM的額定轉(zhuǎn)矩以及各項成本對比如表3所示。可以看出新型PMA-SynRM的成本較PMSM下降了301.52元，PMA-SynRM的額定轉(zhuǎn)矩性價比提高了0.003 7 N·m/元，具有更高的經(jīng)濟性，更適合作為低成本A0/A00級電動汽車的驅(qū)動電機。

表3 兩種電機額定轉(zhuǎn)矩及各項成本對比

5 結(jié) 論

本文針對A0和A00級電動汽車電機市場，在一款電動汽車用永磁同步電機的基礎上進行轉(zhuǎn)子再設計，分析了轉(zhuǎn)子的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)以及永磁用量等對電機平均轉(zhuǎn)矩及其轉(zhuǎn)矩脈動的影響，并對電機轉(zhuǎn)子進行參數(shù)化掃描尋優(yōu)。

1)使用鐵氧體永磁體和釹鐵硼永磁體進行混合勵磁，成本在原樣機的基礎上降低301.52元，額定轉(zhuǎn)矩性價比也提高了0.003 7 N·m/元。

2)采用單極非對稱的永磁體布置方式來降低轉(zhuǎn)矩脈動，轉(zhuǎn)矩脈動由0.25降低至0.06，轉(zhuǎn)矩輸出質(zhì)量有明顯改善。

3)不足之處是電機峰值轉(zhuǎn)矩有所降低，但這對A00級車來說影響較小，總體來說，本文所設計的電機更適合作為低成本A0/A00級電動汽車的驅(qū)動電機。