电动大巴永磁辅助磁阻同步电动机仿真分析

李新华，阮 波，徐竟成，刘 伟

(湖北工业大学，武汉430068)

0 引 言

目前电动大巴驱动电机大多采用感应电动机，也有使用稀土永磁同步电动机(以下简称钕铁硼电机)的，但都存在比较明显的缺点，感应电动机效率和功率密度比较低，钕铁硼电机制造成本高。美国能源部2011 年发表的研究报告称，2015 年，新能源车驱动电机的成本应小于43 元/kg，功率密度应高于1.3 kW/kg;2020 年，驱动电机的成本应小于28.8 元/kg，功率密度应高于1.6 kW/kg［1］。要实现上述目标，无论是采用感应电动机还是钕铁硼电动机都是困难的，因此亟待研发新型电动大巴驱动电机［2］。

永磁辅助式磁阻同步电动机(以下简称永磁辅助式电机)是一种具有高性价比的驱动电机。永磁辅助式电机采用内置式转子结构，具有较高的磁阻转矩，永磁转矩比较低。由于永磁转矩比较小，永磁辅助式电机不需要太高的永磁磁场，可以采用价格低廉的铁氧体永磁材料制成主磁极，电机制造成本大幅降低。目前，德国、日本和韩国的一些学者已经研制出了新能源乘用车驱动用永磁辅助式电机。德国Paderborn 大学的Milind Paradkar 等学者研制出了峰值功率50 kW、最高转速14 000 r/min 的永磁辅助式电机，该电机额定功率密度为8 kW/L［3］。日本大阪大学的Masahiro Obata 等学者研制出了峰值功率95.4 kW、最高转速10 000 r/min 的永磁辅助式电机，该电机额定工况磁阻转矩利用率达84 %，峰值工况达93 %，功率密度达10 kW/L，与2003 年第二代Prius 50 kW 钕铁硼电机的功率密度接近［4］。

本文通过计算机仿真方法对电动大巴驱动用永磁辅助式电机进行评估分析。所评估的电动大巴永磁辅助式电机(以下简称评估电机)主要技术数据:额定功率为120 kW，峰值功率为200 kW，供电电压DC 540 V，额定转矩为1 640 N·m，峰值转矩为2 720 N·m，额定转速为700 r/min，最高转速为3 000 r/min。评估的主要内容是分析不同转子结构和极槽配合下永磁辅助式电机的转矩能力，从而得到一个较为优化的电机结构方案，并与同规格的钕铁硼电机进行比较。

1 同步电机转子结构

图1 是不同同步电动机转子结构下永磁转矩和磁阻转矩之间的变化关系。图1(a)是表贴式永磁同步电动机，电磁转矩为纯永磁转矩，无磁阻转矩;图1(b)、图1(c)分别为插入式和内置式永磁同步电动机，以永磁转矩为主，磁阻转矩为辅;图1(d)为永磁辅助式电机，以磁阻转矩为主，永磁转矩为辅;图1(e)是磁阻式同步电动机，为纯磁阻转矩，没有永磁转矩［5］。

图1 不同同步电动机转子结构下的永磁转矩和磁阻转矩

为了提高电机的永磁转矩，表贴式和内置式永磁同步电动机必须具有较高的气隙磁场，需采用钕铁硼永磁材料，且用量较大，成本较高;永磁辅助式电机以磁阻转矩为主，不需太高的气隙磁场，一般采用铁氧体永磁材料，且用量较小，成本较低;磁阻式同步电动机功率密度不高，在新能源车中已很少应用。图中从图1(a)至图1(e)同步电动机所需的气隙磁场下降，凸极比和磁阻转矩上升，制造成本下降。

永磁辅助式电机的磁阻转矩与其内置式转子结构有着密切关系。永磁辅助式电机转子结构选择时应考虑以下要求:一是具有较高的凸极比，能产生较大的磁阻转矩;二是转子结构安全、制造工艺性好。

目前，永磁辅助式电机大都采用内置多层磁体转子结构，如图2 所示。图2(a)为一字形磁体嵌放，分别为三、四层U 形槽转子结构;图2(b)为U(V)字形磁体混合嵌放，分别为三、四层槽转子结构，最上一层为V 形槽。对两种转子结构永磁辅助式电机的转矩能力进行仿真分析，电机仿真模型的极槽配合为8 极72 槽，一相串联匝数为54，铁氧体用量和磁参数相同，每相通入400 A 电流，表1 给出了两种转子结构永磁辅助式电机的电磁转矩仿真结果。

由表1 可知，U(V)字形磁体嵌放永磁辅助式电机的总电磁转矩和磁阻转矩比一字形磁体嵌放的都高，而且转矩脉动率低。如U(V)字形磁体嵌放四

图2 永磁辅助式电机内置多层磁体转子结构

表1 两种转子结构永磁辅助式电机的转矩仿真结果

层转子槽结构永磁辅助式电机的总电磁转矩和磁阻转矩分别高出一字形磁体嵌放的28 %和23 %，转矩脉动率低6.7 %。另一方面，增加层数对于提高电机的转矩能力、降低转矩脉动率有利。如U(V)字形磁体嵌放四层转子槽结构永磁辅助式电机的总电磁转矩和磁阻转矩比三层槽的分别高出13 %和12 %，转矩脉动率低5.4 %。图3 为其电磁转矩和磁阻转矩的仿真曲线。可见，U(V)字形磁体四层转子槽结构永磁辅助式电机的总电磁转矩高于评估电机所要求的峰值转矩，磁阻转矩利用率达72 %，转矩脉动率只有4.6 %。

图3 四层U(V)字形磁体电机转矩仿真曲线

2 极/槽配合

新能源汽车驱动用钕铁硼电机常用的极数有6极和8 极，但以8 极居多。永磁同步电动机的极数愈多，电磁转矩趋于平稳，但铁耗增大。

为了研究极数对磁阻转矩的影响，这里分别对4 极48 槽、6 极54 槽和8 极72 槽三种极槽配合的永磁辅助式电机进行转矩仿真分析。图4 为三种极槽配合永磁辅助式电机的仿真模型，采用U(V)字形磁体嵌放的四层转子槽结构。仿真时永磁辅助式电机的主要尺寸、转子结构和磁体用量均相同。表2 给出了三种极槽配合永磁辅助式电机的电磁转矩仿真结果。

图4 永磁辅助式电机内置多层磁体转子结构

表2 三种极槽配合永磁辅助式电机的电磁转矩仿真结果

由表2 可知，随着极数增加，磁阻转矩明显上升，总电磁转矩脉动率下降，8 极/72 槽电机的总电磁转矩脉动率最低;8 极72 槽无刷电机的总电磁转矩达到评估电机所要求的峰值转矩，其它两种极槽配合的总电磁转矩都低于要求，其中4 极48 槽电机的总电磁转矩只有8 极72 槽的一半左右。可见，对于永磁辅助式磁阻电机来讲，为了提高磁阻转矩，降低转矩脉动率，宜选择多极多槽配合的结构方案。

3 与钕铁硼电机比较

根据评估电机的技术要求，构建了如图5 所示的钕铁硼电机仿真模型。分别对钕铁硼电机和永磁辅助式电机模型进行仿真分析，图6 ～图8 给出了电机空载电动势、峰值转矩和最高转速时铁耗的仿真结果，表3 为电动大巴驱动用钕铁硼电机和永磁辅助式电机的主要数据、仿真结果及材料消耗比较。

图5 钕铁硼电机1/8 仿真模型

图6 电机空载电动势的仿真曲线(750 r/min)

图7 电机峰值转矩的仿真曲线(700 A)

图8 电机铁耗仿真曲线(3 000 r/min)

表3 电动大巴驱动电机的主要数据、仿真结果及材料消耗比较

表3 中材料估计价格:硅钢片8 元/kg，漆包线70 元/kg，铁氧体55 元/kg，钕铁硼650 元/kg。

由表3 中仿真结果可知，永磁辅助式电机和钕铁硼电机总电磁转矩都能满足评估电机峰值转矩要求，但与钕铁硼电机相比，永磁辅助式电机总电磁转矩脉动率降低，铁耗减小44 %，磁阻转矩平均值大近一倍，峰值功率密度接近，电机制造成本减少3 750 元/台，有效材料成本减少53 %，因此，永磁辅助式电机具有明显的性价比优势。

值得注意的是，永磁辅助式电机3 000 r/min 时的感应电动势为330 V，只有额定相电压的1.5 倍，弱磁失效不存在过压风险;钕铁硼电机3 000 r/min时的感应电动势达1 022 V，比额定相电压高4.6倍，弱磁失效时存在过压危险，对电机控制器及车载电器安全构成威胁。

4 结 语

开发低成本电动大巴驱动用永磁辅助式电机是一件具有实际意义的工作。通过合理选择转子结构和极槽配合，永磁辅助式电机不仅能够满足电动大巴对驱动电机的转矩要求，而且性能良好，特别是制造成本低，节省宝贵的稀土资源，显著提升新能源汽车的市场竞争力，在电动大巴驱动电机中有着良好的应用前景。

［1］ FESSLER R R.Final report on assessment of motor technologies for traction drives of hybrid and electric vehicles［R］. U. S. Department of Energy，2011.

［2］ JEONG Y－H，KIM K，KIM Y－J，et al.Design characteristics of PMa－SynRM and performance comparison with IPMSM based on numerical analysis［C］//Proceedings of the 2012 International Conference on Electrical Machines(ICEM2012).IEEE，2012:164－170.

［3］ PARADKAR M，BOECKER J.Design of a high performance ferrite magnet－assisted synchronous reluctance motor for an electric vehicle［C］//The 38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society(IECON 2012).IEEE，2012:4099－4103.

［4］ OBATA M，MORIMOTO S，SANADA M，et al.Performance evaluation of high power and low torque ripple structure of rare－earth free PMASynRM with ferrite magnet［C］//2013 IEEE 10th International Conference on Power Electronics and Drive Systems(PEDS).IEEE，2013:714－719.

［5］ 森本茂雄.モータ技術の動向と展望［J］. Panasonic Technical Journal，2009，55(3):4－9.