永磁同步电动机不同转子结构的性能研究

2022-06-07 05:26:04来源：陈绪标，童学志上海海立(集团)股份有限公司

在工程应用中，汽车用永磁同步电动机定子采用直槽结构，定转子槽极配合为8极48槽，基于该种结构的永磁转子对应不同的凸极比，其外特性如何、磁钢用量多少、哪种形式转子性能最优、是否符合高性价比要求，本文将针对这些热点问题进行详细的分析。

1 基本原理

永磁同步电动机的主要结构由定子(包括定子铁心、线圈、机壳等)、永磁转子(包括转子铁心、永磁体、转轴等)、前后端盖、轴承、接线盒以及反馈组件等多个主要零部件组成。

永磁同步电动机的电磁原理与他励直流电动机类似。永磁同步电动机的旋转控制采用旋转坐标系的思想，将三相定子电流进行解耦，分解成专用于励磁的直轴分量，以及专用于产生输出转矩的交轴分量，两种分量互相独立互不耦合。

对于永磁同步电动机来说，定子影响主要体现在定子绕组分布情况、定子槽数等，这与异步电机区别不大；而转子的影响则体现在整个磁路上，不同结构的永磁转子对电机性能影响极大。永磁转子按结构一般分为表贴式和内置式两种，内置式转子结构相对复杂，本文以内置式转子为研究点进行展开。

永磁同步电动机凸极比

一般指交直轴电感(或者是电抗)之比。即：

(1)

表贴式交直轴电感接近相等，其凸极比

=1；而内置式永磁同步电动机根据永磁体在转子中的排布，形成多种不同凸极比的转子结构，主要分为

>1和

<1两种情况。

永磁同步电动机的基本向量关系如图1所示。

图1

永磁同步电动机基本向量图

根据图1的向量关系及永磁同步电动机的电磁原理，得到电磁转矩

的计算公式如下：

(2)

式中：

为极对数；

为弱磁角；

为永磁磁链；

为定子电流；

从式(2)中可以看出，内置式永磁同步电动机电磁转矩由永磁转矩和磁阻转矩两部分组成。永磁转矩与弱磁角成余弦关系，且与励磁磁链成正比；而磁阻转矩与两倍弱磁角成正弦关系，还与交直轴电感之差成正比。

由电机电磁场理论有：

NΦ

NBS

(3)

式中：

为每极线圈匝数；

为每极气隙磁密；

为每极磁通面积。又根据电感差：

(

)∝

(4)

不计弱磁角度、极对数以及电枢电流影响，最终可以推得：

∝

BSN

(5)

∝

(6)

从式(3)～式(6)可以看出，内置式永磁同步电动机的电磁转矩与永磁电机每极线圈匝数、每极气隙磁密、每极磁通面积以及凸极比成正相关关系。

2 研究方法及过程

2
.
1
研究方法

本文以某款国产汽车电机的主体结构为例，其具体性能参数指标如表1所示，进行典型规格优化设计。

表1

某款国产汽车电机性能指标参数

在研究过程中，先结合工程实际应用，设定相同的定子参数，在其基础上进行市场调研，结合理论研究成果，采用磁链、凸极比均有所不同的转子结构进行仿真对比，汇总数据。然后针对仿真数据进行分析，分别计算最大输出功率、最大转矩、反电动势系数

值以及永磁体体积，并分别计算功率磁钢体积比、转矩磁钢体积比、以及反电动势系数磁钢体积比，比较各转子方案性能优势及经济性。

2
.
2
研究过程

2.2.1 建立模型

根据表1的性能指标，进行5种转子拓扑结构的计算：三角形、混合型、切向型、V字形及一字形等，具体结构及交直轴分布如图2所示。

图2

不同转子拓扑结构及交直轴分布

按图2的转子拓扑结构建模，槽极配合为经典的8极48槽，定子绕组形式采用1～6的分布式双层绕组。

2.2.2 设定激励条件

根据永磁同步电动机工作原理，设定电机定子输入电流为三相正弦电流，具体激励表达式如下：

max

sin(2π

)

max

sin(2π

-2π

max

sin(2π

+2π

式中：

max

为电机线电流峰值；

为电流频率；

为时间；

为弱磁角。

在上述激励条件下考虑损耗设置方面，铁心损耗计算时考虑定、转子铁心，涡流损耗计算时考虑定、转子铁心以及磁钢表面涡流损耗影响。

2.2.3 设定边界条件

在仿真时，各方案设定相同的边界条件：电机额定转速为2 000 r/min，最高转速为10 000 r/min,电机定子相同，且线电流峰值按

max

=141.4 A(有效值为100 A)，电机弱磁初始角按45°进行扫描分析。

3 结果对比与数据分析

3
.
1
结果对比

针对5种不同转子拓扑结构方案，通过相关软件进行仿真计算，首先进行反电动势值、凸极比的计算，然后通过场路结合的方法，进行效率、转矩、转速等外特性的计算对比。在特性计算时，结合应用工程实际，为了能有效地利用内置式永磁同步电动机的凸极效应，发挥其固有机械特性，在仿真计算采用的控制策略是“恒转矩区域采用单位电流最大转矩控制，恒功率区则采用弱磁控制”。计算的效率MAP图谱如图3～图7所示。

图3

方案1[三角形转子，

=2.29，

=152.6 V/(kr·min

-1

)]

图4

方案2[混合型转子，

=0.613，

=147.46 V/(kr·min

-1

)]