新能源汽車新型混合勵磁驅(qū)動電機的優(yōu)化設計

韋富藝　姚世興　呂俊標　吳茂軍

摘 要：本文提出了一種新的混合勵磁驅(qū)動電機（HEDM），電機的轉子部分由組合磁極永磁轉子和無刷電爪轉子組成，建立等效磁路模型，計算爪極轉子的空載泄漏系數(shù)，對電機結構進行有限元分析和樣機試驗，驗證了新型HEDM作為車載電機的合理性和可行性，為新能源汽車驅(qū)動電機領域的應用提供了可能。

關鍵詞：混合勵磁驅(qū)動電機 雙轉子

1 引言

由于永磁體材料的固有特性，永磁體電機的氣隙磁場保持恒定且無法調(diào)整，這限制了其在寬速度控制驅(qū)動系統(tǒng)中的使用[1]。通過控制系統(tǒng)控制電機速度的成本高，速度范圍小[2]。混合磁路驅(qū)動電機不僅具有永磁電機高功率密度和高效率的優(yōu)點，而且具有電勵磁電機氣隙磁場平滑可調(diào)的特點[3]。與其他類型的同步電機相比，新型的混合勵磁繞線同步電動機結構簡單，轉矩大，因此對逆變器和控制策略的要求更高。為了使新型混合勵磁驅(qū)動電機具有良好的磁場調(diào)節(jié)能力[4]，本文提出了一種新型的混合勵磁驅(qū)動電機。

2 HEDM的結構和磁路分析

永磁電機具有高功率密度和高效率，但永磁磁場是不可調(diào)節(jié)的，并且控制系統(tǒng)很復雜。電勵磁電機易于控制，輸出轉矩可以控制，但勵磁損耗高，效率低[5]。本文介紹了一種具有永磁體和電磁組合的三相混合勵磁同步驅(qū)動電機。

2.1 電機結構

用于新能源汽車的HEDM由定子和轉子組成。轉子部分由無刷電勵磁爪極轉子和組合磁極永磁轉子組成。

2.2 HEDM的磁路分析

混合勵磁驅(qū)動電機為并聯(lián)磁勢源結構，其主磁路分為組合磁極永磁電路和無刷電勵磁磁路兩部分。兩個磁路共用一個定子，彼此獨立。合成磁路是疊加在定子上的矢量，通過改變勵磁電流的大小和方向來改變合成磁場的大小。混合勵磁驅(qū)動電機的輸出轉矩可以通過改變勵磁電流來調(diào)節(jié)。

2.2.1 組合磁極永磁轉子磁路分析

本文采用傳統(tǒng)的單徑向永磁鋼結構作為比較，傳統(tǒng)切向結構的有效磁通是單一路徑，組合磁極結構的有效流量由兩個平行路徑組成，彌補了氣隙磁密度波形凹陷的問題。

由圖1可知，兩個磁路并聯(lián)，使用徑向永磁鋼作為輔助磁極，帶來了更多的磁場容量，改善了切向磁場引起的氣隙磁場凹陷問題，提高了集磁能力，并且進一步優(yōu)化氣隙磁密度波形的正弦性。

Fmt和Fmc是切向永磁鋼和徑向永磁鋼產(chǎn)生的磁動勢，Gmt和Gmc是切向永磁鋼與徑向永磁體鋼的等效內(nèi)導磁率，Gδt是切向永久磁鋼外端和內(nèi)端的漏磁電導，Gδc是徑向永磁鋼左右兩端的漏磁電導，Gr1和Gr2是有效磁路I和有效磁路II的轉子鐵芯的導磁率，Grp是相鄰兩個徑向永磁鐵無效磁路II之間的轉子鐵芯導磁率，Gair是主氣隙磁導率，G1是組合磁極永磁電機定子齒和定子磁軛的磁導率，F(xiàn)d1是電機空載狀態(tài)下電樞反作用直軸下的磁動勢，Φpmt和Φpmc是切向永磁鋼和徑向永磁鋼產(chǎn)生的磁通，Φδt和Φδc是切向和徑向永磁鋼產(chǎn)生的泄漏流量，Φδ1是有效磁路I和有效磁路II的有效主流量。

2.2.2 爪極轉子磁路分析

正向電勵磁電流路徑是由電勵磁線圈感應的N極→勵磁支架→爪桿→主氣隙→定子齒→定子軛→定子齒→主氣隙→爪極根→變化→S極由電勵磁線圈感應，形成一個完整的閉環(huán)。由圖2可知，并聯(lián)爪極轉子的連接使合成磁場的尺寸不再單一，這使電機在多種工作條件下更適合汽車的環(huán)境。

其中，F(xiàn)e是爪形電勵磁繞組產(chǎn)生的磁動勢，Gm是爪極電勵磁繞組的等效內(nèi)部磁導率，F(xiàn)d2是爪極磁勵磁繞組的電樞反作用產(chǎn)生的感應電動勢，Gδn是電勵磁爪極磁軛的磁導率，Gpf是磁通量的磁導率，Gpt是爪極齒的磁導率，Gpn是與磁通量相反的勵磁支架的磁導率，G2是磁通量路徑2中的漏電導，G3是磁通量通路3中的漏電導。G4是磁通量通道4中的漏導，G5是磁通量程徑5中的漏導電，Gair是主氣隙的磁導率，G1是無刷電勵磁爪極電機定子齒和定子軛的磁導率，Φm是爪極電勵磁繞組產(chǎn)生的磁通，Φδ1是磁路1的主磁通，ΦΔ2是漏電流通路2，Φδ3是漏電流路徑3，Φδ4是泄漏流路徑4，Φδ5是泄漏流通道5。根據(jù)無刷電勵磁爪極電機的等效磁路，可以建立以下關系：

（1）

HEDM的無刷電勵磁磁場的空載泄漏系數(shù)表示為：

（2）

基于上述分析和解決方案，可以獲得無刷電勵磁磁場的空載泄漏系數(shù)，見下式（3）

爪極參數(shù)的優(yōu)化可以減少電機的漏磁，提高電機的氣隙流量密度，提高電機輸出性能。

3 仿真分析與樣機實驗

3.1 HEDM仿真分析

3.1.1 組合磁極永磁轉子仿真分析

通過有限元分析獲得的電機磁力線的方向與磁路分析中的路徑一致。主磁極的切向磁場和輔助磁極的徑向磁場平行穿過氣隙，避免了電樞反應引起的磁極不可逆退磁問題。錨式磁柵解決了主磁極軸側端部漏磁的問題，轉子的磁通飽和提高了永磁體的利用率，并驗證了組合磁極的集磁效應。

優(yōu)化前基波振幅為25.38V，優(yōu)化后基波振幅為31.03V，提高了15.2%。三次諧波從10.93V降低到1.06V，將反電勢的畸變率從43.89%降低到4.29%，下降了39.6%。這表明優(yōu)化的結構參數(shù)對改善反電勢有顯著作用。

優(yōu)化后的最大齒槽轉矩從754.61mN·m降低到241.94mN·m。優(yōu)化前輸出扭矩波動很大，其扭矩波動系數(shù)為39.1%。優(yōu)化后扭矩波動系數(shù)降至4.8%，下降34.3%。此外，優(yōu)化后的平均扭矩從10.18 N·m增加到12.91 N·m，增加21.15%，驗證了優(yōu)化方法的正確性。因此，合理優(yōu)化組合式永磁轉子的磁屏障結構參數(shù)，可以極大地改變HEDM的電磁特性，從而提高驅(qū)動電機的運行性能。

3.1.2 無刷電勵磁爪極轉子仿真分析

激勵電流激發(fā)的軸向磁場通過爪極結構轉變?yōu)閺较虼艌觥５竭_主氣隙后，通過定子返回主氣隙，到達爪極，形成完整的閉合回路。

優(yōu)化后的爪極的氣隙磁密度更加均勻，氣隙磁強度波形凹陷減少，氣隙密度峰值增加。然而，由于爪極電機的結構特點，仍然存在一些泄漏情況。雖然爪極電機的效率相對較低，但磁場調(diào)節(jié)方便，驗證了無刷勵磁電機結構設計的合理性。

3.2 HEDM原型實驗

3.2.1 齒槽轉矩試驗

為了分析仿真結果的正確性和合理性，制作了樣機進行實驗驗證。電動機的每個旋轉周期對應于48個正峰值和48個定子齒。圖3顯示齒槽轉矩最大值為236 mN·m，略小于模擬值。齒槽轉矩測試結果小于有限元模擬數(shù)據(jù)的原因不是測試儀器誤差大，而是有限元模擬的理想條件。實際樣機永磁強度小于模擬值，導致樣機永磁轉子齒槽轉矩試驗結果較小，但誤差在允許范圍內(nèi)。

3.2.2 輸出轉矩性能試驗

為了測試HEDM的磁調(diào)制能力，使用測功機測試測試原型，當電機轉速為3000r/min，勵磁電流為2A時，HEDM的輸出轉矩約為16N·m。輸出轉矩隨正向勵磁電流的增大而增大，驗證了HEDM具有一定的磁調(diào)制能力。

為了獲得HEDM在不同特征點下的輸出性能，對電機的不同特征點進行了實驗測試。圖3中的橫坐標分別表示表1中的各種特征點。HEDM的額定轉矩可達15.8 N·m，最大效率可達90.1%。該電機具有良好的輸出特性，可以滿足新能源汽車低速、高速和恒功率的要求。

4 結論

本文提出了適用于新能源汽車的新型HEDM，采用組合式磁極永磁轉子和無刷電動爪極轉子并排共用一個定子的結構，并分別建立了永磁轉子和爪極轉子的等效磁路模型。新型徑向永磁鋼和切向永磁鋼的組合提供了平行的磁流。與單一徑向PM鋼相比，流量泄漏減少，主流量增加。

極面偏心對空載反電勢的畸變率影響最大，焊接槽半徑對齒槽轉矩影響最大，錨式磁屏障的寬度和錨式磁屏蔽齒的半徑對平均轉矩影響最大。與優(yōu)化前的性能相比，齒槽轉矩降低了67.94%，空載反電動勢畸變率降低了39.6%，平均轉矩提高了21.15%，轉矩系數(shù)降低了34.3%。

參考文獻：

[1]張卓然，王東，花為.混合勵磁電機結構原理、設計與運行控制技術綜述及展望[J]. 中國電機工程學報，2020.

[2]邢立華，王雷，曹清，宋玉晶.混合勵磁無刷爪極發(fā)電機的仿真與實驗[J]. 導航與控制，2023.

[3]曹江華，曾炳森，楊向宇，邱小華.混合勵磁型多自由度球形電機的偏轉分析[J]. 華南理工大學學報（自然科學版），2023.

[4]杜懌，康柯柯，肖鳳，朱孝勇，姚新元，張超，全力.基于鐵耗占比的混合勵磁電機速度分區(qū)損耗最小控制策略[J]. 中國電機工程學報，2022.

[5]李優(yōu)新，王鴻貴，何鴻肅，劉方銘，姚震.混合勵磁無刷電機的調(diào)磁原理與實現(xiàn)方法[J]. 機電工程技術，2003（04）.