摘要：
提出一种电动汽车用双层永磁体内置式永磁同步电机（interior permanent magnet synchronous machine，IPMSM），分析其基本电磁关系，进行优化分析。采用有限元分析软件建立电机结构模型，分析单边气隙长度不同时气隙磁密及谐波畸变率变化规律；研究了不同定子槽口宽度下电机齿槽转矩的变化趋势；通过改变第二层永磁体两侧隔磁桥间距Rib及第一层永磁体中间隔磁桥与转轴距离O2，获得电机输出转矩与转矩纹波的变化规律；分析双层永磁体尺寸变化时的电机效率，得到最优永磁体尺寸参数。样机试验表明：实测值与仿真值基本吻合，验证了样机设计的合理性。
关键词：电动汽车；双层永磁体；内置式永磁同步电机；优化分析；样机试验
DOI：10.15938/j.emc.2017.10.005
中图分类号：TM 315
文献标志码：A
文章编号：1007-449X（2017）10-0030-10
21世纪面临能源与环境双重压力，电动汽车以其节能、环保的双重优势，成为汽车工业的必然选择和重要发展方向[1-4]，发展电动汽车成为保障能源安全和实现低碳经济的重要途径之一。电机作为电动汽车的动力设备，其效率、成本、可靠性、耐用性、尺寸及噪声[5]等性能参数直接影响电动汽车的综合性能指标。
目前电动汽车驱动用电机主要包括：感应电机、直流电机、开关磁阻电机及永磁同步电机[3，6-7]。感应电机应用较为广泛，功率覆盖宽、工艺成熟、环境适应能力强、扭矩波动小、可靠性高，但存在控制系统复杂，效率和功率密度偏低等问题。直流电机启动力矩大、运转平稳、控制系统较为简单，但换向器的存在使其在维护性、过载能力及高速运行方面受到一定限制，影响直流电机的进一步推广应用。开关磁阻电机作为一种具有较大开发潜力的新型电机，具有可靠性高、成本低、结构简单、高速潜力大等优点，但存在转矩波动大、噪声等问题[7-8]。
永磁同步电机具有功率密度高、全工作区域高效、体积小和动态性能良好等优点，特别适合用作电动汽车驱动电机[9-13]。按永磁体在转子上的不同位置，永磁同步电机的转子磁路结构一般可分为两种：表面式、内置式。相对于表面式磁路结构，内置式转子结构永磁同步电机在永磁转矩的基础上叠加了磁阻转矩。磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁调速[13-16]，扩大恒功率运行范围。同时，内置式永磁同步电机具有永磁体抗去磁能力强、转子冲片机械强度高、性能稳定等优点，为电动汽车驱动用永磁同步电机的研究热点。
按永磁体磁化方向不同，内置式永磁同步电机可分为径向式、切向式和混合式3种，其中径向式结构的永磁体层数又可设置为单层、双层和多层。相对于单层永磁体结构，采用多层永磁体可增加磁阻转矩与凸极效应，增大交直轴电感之差，提高弱磁扩速能力，扩大恒功率運行范围，同时较大的凸极率可提高电动机的牵入同步能力和过载倍数，提高功率密度与转矩输出能力。
本文设计一台额定功率为10.5 kW的高功率密度双层永磁体内置式永磁同步电动机。根据设计整体性能要求，结合电动汽车调速驱动与安装布局空间限制，初步确定电机定转子结构、电机外径、轴向长度、磁极等基本参数，建立电机二维有限元计算模型，分析IPMSM基本电磁理论关系；研究不同单边气隙长度下气隙磁密、基波幅值及谐波畸变率，确定合理的气隙长度；采用优化定子槽口宽度来抑制齿槽转矩，降低转矩纹波；研究转子磁路结构，调整转子结构参数，以提高永磁体利用率、降低转矩波动为目标，分析不同磁桥距离Rib、O2下电磁特性；优化双层永磁体尺寸参数，获得最优磁路结构；确定电机结构参数。
1电机结构及基本方程
1.1电机结构及参数
根据设计整体性能要求与安装布局空间限制，电机部分尺寸参数设置如表1所示。使用Ansoft有限元分析软件建立IPMSM二维有限元结构模型如图1所示。电机8极48槽；定子采用深槽结构，增加直轴漏抗，从而提高电机弱磁能力；转子内置双层永磁体，第一层永磁体近似“一”字型，第二层永磁体近似“U”型，且两层永磁体中间与两侧均采用隔磁桥以减少漏磁。相对于单层永磁内置式永磁电机，采用双层永磁体可提高电机的交直轴电感之差，增大功率密度、电机转矩和最大效率区。
由以上方程可看出，由于内置式永磁同步电机输出电磁转矩由两部分组成，一是由永磁磁场和电枢反应磁场相互作用产生的基本电磁转矩，称为永磁转矩；二是由于交直轴磁阻不相等引起的磁阻转矩。因此，在电机造价与永磁体用量受到限制，永磁转矩不易提升的情况下，可充分利用磁阻转矩以提高电机的过载能力和功率密度。
2单边气隙长度分析
在电机运行过程中，由于输入电流经逆变器的非线性变换，含有大量谐波，在磁场谐波与电流谐波的相互作用下，致使电机运行时铁耗与绕组杂散损耗增加，进一步影响电机温升，降低电机运行效率。此外，由于电机本身磁路结构特点，气隙磁密不是理想正弦波分布，气隙磁密中的谐波会使电机运行时产生噪声与剧烈振动，造成转矩波动较大，电机运行不稳定，可靠性降低。在过载情况下会引起磁路严重饱和，增大谐波电流产生的杂散损耗，因而需分析气隙磁密中的谐波含量。
保持转子外径、定子外径与定子槽型不变，通过调整定子内径来改变气隙长度，分析不同气隙长度下气隙磁密。图3（a）给出了电机单边气隙长度从0.1 mm变化至1.0 mm的气隙磁密波形，分析可知，由气隙长度的增加而引起气隙磁阻的变大，致使气隙磁密幅值逐渐减小。图3（b）所示为经傅立叶变换后气隙磁密谐波幅值。由图可知，随气隙长度增加，3、5、9、11、13、15次谐波显著减小，而7次谐波幅值变化较小。图3（c）给出了气隙磁密基波幅值随单边气隙长度变化规律，由图可知，气隙磁密基波幅值随单边气隙长度增大而减小，且在气隙长度0.8 mm之后，气隙磁密基波幅值基本不变。图3（d）给出了不同单边气隙长度下气隙磁密谐波畸变率分布规律，分析知，气隙磁密谐波畸变率随单边气隙长度增大而逐渐减小，且在0.6 mm之后，谐波畸变率变化较小。
为满足电动汽车要求电机具有一定恒功率运行速度范围，电机气隙不宜太大，否则将导致电动机的直轴电感过小，弱磁能力不足，无法达到要求的最高转速，故综合考虑选择单边气隙长度为0.6 mm。
3齿槽转矩的削弱
齿槽转矩为永磁电机绕组不通电时永磁体与铁心之间相互作用产生的转矩，是由永磁体与电枢齿之间相互作用的切向分量引起的。当定转子存在相对运动时，处于永磁体极弧部分的电枢齿与永磁体间的磁导基本不变，因此这些电枢齿周围的磁场也基本不变，而与永磁体两侧面对应的由一个或两个电枢齿所构成的一小段区域内，磁导变化大，引起磁场能量的变化，从而产生齿槽转矩。齿槽转矩定义为电机不通電时的磁场能量W对定转子相对位置角α的负导数，即
Tcog=-Wα。（13）
永磁体与有槽电枢铁心相互作用，不可避免地产生齿槽转矩，导致转矩波动，引起振动和噪声，影响控制精确度。因此，选择合理的方式与策略抑制齿槽转矩、改善低速平稳性十分必要。而在实际工程中，常见削弱齿槽转矩方法有：斜槽、斜极、极槽数配合、磁极分段、改变极弧系数、不等厚永磁体、不等极弧系数、开辅助槽等[17]。
齿槽转矩是由于电枢开槽引起的，槽口宽度的变化导致了气隙相对磁导的变化，进而影响齿槽转矩的大小。图4（a）给出了电机空载时不同定子槽口宽度下的齿槽转矩波形，由图可知，齿槽转矩呈周期分布规律；槽口宽度越大，齿槽转矩也越大。在电机功角不变时，图4（b）给出了电机额定转速运行的输出转矩随定子槽口宽度变化规律，分析可知，由于定子槽口宽度增大，导致定子槽口附近的一小段区域内磁导变化增大，气隙磁场储能增加，气隙磁密幅值增大，从而引起输出转矩增大。图4（c）给出了不同槽口宽度下齿槽转矩与输出转矩比值，由图分析知，齿槽转矩与输出转矩比值与定子槽口宽度呈正相关，其比值的增大将直接导致转矩脉动增大，降低位置伺服的精度，引起振动与噪声。从削弱齿槽转矩的角度应尽可能减小槽口宽度，但综合考虑导线直径与嵌线工艺等因素，选择槽口宽度为1.8 mm。
4转子结构优化
4.1转子结构分析
电机转子结构局部放大图如图5所示，转子内置双层永磁体，永磁体的厚度大于隔磁桥的宽度，隔磁桥宽度固定，在保证固定住永磁体的同时也有效地减小漏磁。为减小永磁体用量与漏磁，在第一层永磁体PM1之间设置2 mm的隔磁桥，在第二层永磁体PM2之间设置10 mm的隔磁桥。受转子空间与机械强度限制，第一层永磁体两侧隔磁桥间距Rib1可变范围相对较小，而第二层永磁体两侧隔磁桥间距Rib可变范围较大，对转子磁密分布与转子磁路结构影响较大。第一层永磁体与气隙层较近，第一层永磁体中间隔磁桥与转轴的距离O2对气隙磁密与漏磁影响较大。因此，分析Rib与O2对电机运行时性能影响十分必要。
4.2隔磁桥间距Rib优化
电机在额定负载下运行时，保持O2为33 mm不变，Rib从2 mm逐步增加至10 mm，其电磁转矩及转矩纹波如图7所示。其中转矩纹波定义为电机稳定运行时，一个周期内最大转矩与最小转矩之差与平均转矩之比。
由图6（a）可知，输出转矩随Rib变化而波动不大，最大输出转矩为33.914 8 N·m，最小输出转矩33.464 8 N·m。在图6（b）中，给出了电机转矩纹波随Rib变化时的规律，由图可知，随着Rib的增大，输出转矩纹波先减小再逐渐增大，在Rib为3 mm时，输出转矩纹波最小，其值为11.973%，对应的输出转矩为33.523 5 N·m。因此，从减小转矩纹波的角度，选择磁桥长度Rib为3 mm。
4.3磁桥O2优化分析
为满足转子在高速运行时机械强度的要求，且要留有一定的裕度，磁桥O2值不宜过大。电机在额定负载下运行时，保持Rib为3 mm不变，O2以2 mm为步长，从21 mm逐渐增大为33 mm，其输出转矩及转矩纹波如表2所示。分析可知，O2对输出转矩影响不大，但随O2值增大，转矩纹波逐渐降低。故在保证转子应力要求前提下，为减小转矩纹波，选择O2选择33 mm。
5永磁体尺寸参数优化
永磁电机中，永磁体的磁化方向长度决定了永磁体的工作点，设计永磁电机时，在保证电机运行于最大工作点而不发生不可逆退磁的前提下，尽量减小永磁体用量，增大直轴电感，提高弱磁能力。永磁体的宽度影响永磁体产生磁通的面积和空载反电势的大小，从而进一步影响电机的效率。为提高电机功率密度，可适当增加永磁体用量，但也会使电机成本增加。因此永磁体的尺寸选择与优化十分必要。由图5可知，转子内第一层永磁体为PM1，第二层永磁体为PM2，下面对PM1、PM2尺寸参数进行优化分析。
5.1PM1优化分析
转子内双层永磁体采用不同尺寸参数配合对转子磁路结构、磁通密度、漏磁及电机效率都会产生重要影响。因此，为优化双层永磁体尺寸参数，保持双层永磁体总用量不变，对比分析不同尺寸配合方案下电机效率，从而确定PM1尺寸参数。假设PM1厚度h1、宽度L1，PM2厚度h2、宽度L2。由于PM1宽度受转子空间限制，设定L1为32 mm，在同等永磁体用量下，L2也为32 mm，对比分析PM1、PM2不同厚度配合方案下电机效率。
表3给出了PM1、PM2不同厚度配合下的4种方案。电机在额定负载下运行时，不同方案下电机效率对比如图7所示，由图可知，在同等永磁体用量下，PM1、PM2厚度的变化对额定负载运行下的电机效率影响极小，电机效率均在95.65%左右。
图8（a）给出了方案4电机在额定负载下运行时的磁力线分布图，由图可知，转子磁路结构合理，磁力线分布较好，漏磁较少。图8（b）给出了方案4电机额定负载时的磁通密度，电机在额定负载时定转子铁心磁密基本在1.0～1.6 T之间，可避免铁心磁密饱和造成的铁耗增加。
综合考虑4种方案下电机效率，磁密分布与转子机械应力要求，为减小第一层永磁体离心力对转子机械强度的影响，故在保证工作不退磁与加工工艺的前提下可适当减小第一层永磁体厚度。因此，选择第4种方案下PM1厚度为4 mm，宽度为32 mm后，再对PM2进行优化分析。
5.2PM2优化分析
保持PM1厚度为4 mm，宽度为32 mm不变，分析PM2厚度变化对电机额定负载运行时性能的影响。
电机在额定负载下运行时，PM2的厚度改变时电机效率变化规律如图9（a）所示，由图可知，PM2厚度增大对电机效率影响较小。图9（b）给出了额定负载下输出转矩纹波随PM2厚度的变化规律，由图可知，输出转矩波纹波随PM2厚度增大而逐渐增加，且在PM2厚度为6.4 mm时显著增加。因此，为节约成本，减小永磁体用量，且在保证电机弱磁调速范围的基础上，可适当减小PM2厚度，选择PM2厚度为5 mm，再对PM2宽度进行优化分析。
保持PM1厚度为4 mm，宽度为32 mm，PM2厚度为5 mm不变，分析PM2不同宽度下电机额定负载运行时的效率与输出转矩波动。
图10（a）给出了PM2不同宽度下电机额定负载运行时的效率变化，由图分析知，电机额定负载下的效率随PM2宽度增加而增大，且在PM2宽度为44 mm时，电机效率达到最大值为95.99%，但由于PM2宽度继续增大，永磁体用量的增加导致磁链增大，从而使感应电流增大，铜耗增加，故电机效率反而有所下降。图10（b）给出了电机在额定负载下输出转矩纹波随PM2宽度变化的规律，由图可知，输出转矩纹波随PM2宽度的增加而逐渐增大，且在宽度为48 mm时显著增加。
6试验研究
6.1样机与实验平台
本文在前期优化设计的基础上确定样机基本参数如表4所示，试制一台样机，如图12所示。样机定子采用48槽结构，如图12（a）所示；转子内置双层永磁体，并采用转子盘固定在转子两侧起到保护转子及永磁体的作用，如图12（b）和12（c）所示；转子内部开槽以降低转子质量，节省原料，提高转子起到性能，转子冲片如图12（d）所示；样机试验平台如图12（e）所示，主要有样机、原动机、伺服控制器、底座及示波器组成。
6.2试验结果
图13给出了电机在1 000 r/min时空载感应电动势仿真值与实测值。对比分析可知，由于采用二维有限元计算时忽略了电机端部绕组的影响，样机实测值略小于仿真值，但波形基本一致。
样机输出转矩如图14所示，由于采用二维有限元计算时忽略端部绕组及机械加工误差，导致样机输出转矩实测值略小于仿真值，但与仿真值基本吻合。
7结论
设计了一种48/8极新型内置双层永磁体永磁同步电机，建立了电机二维有限元分析模型，在此基础上计算分析了影响电机电磁特性的主要参数，分析气隙磁密，抑制齿槽转矩，优化转子结构与永磁体尺寸参数，得到如下结论：
1）气隙磁密基波幅值与谐波畸变率随气隙长度增大而逐渐减小，但在单边气隙长度为0.6 mm之后气隙磁密谐波畸变变化不大。
2）定子槽口宽度增大，齿槽转矩与输出转矩也随之增大，且齿槽转矩与输出转矩比值也越大，从削弱齿槽转矩，降低转矩纹波的角度，应尽可能减小槽口宽度。
3）隔磁桥间距Rib的变化对电机输出转矩影响不大，对转矩纹波影响较大，且在Rib为3 mm时输出转矩纹波最小；不同磁桥长度O2下输出转矩基本不变，转矩纹波逐渐减小，但O2值的选取应综合考虑转子应力要求与加工工艺水平等因素。
4）在同等永磁体用量下，两层永磁体采用不同厚度配合对电机在额定负载下效率影响极小；增大第二层永磁体厚度，电机效率基本不变，而输出转矩纹波逐渐增大；增大第二层永磁体宽度，能够提高电机效率最高为95.99%，但输出转矩纹波逐渐增大。
5）样机试验结果与仿真值基本吻合。由于采用二维有限元计算时，忽略端部绕组影响，样机实测值略小于仿真值。
参 考 文 献：
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（编辑：贾志超）