应用于新能源电动汽车的永磁辅助同步磁阻电机设计*

张　健，　吴友华，　姚丙雷，　陈伟华，　窦　娜

(1. 北京新能源汽车股份有限公司，北京　102606；

2. 国核电力规划设计研究院，北京　100095；

3. 浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江 杭州　311268；

4. 上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海　200063；)



应用于新能源电动汽车的永磁辅助同步磁阻电机设计*

张健1，吴友华3，姚丙雷4，陈伟华4，窦娜2

(1. 北京新能源汽车股份有限公司，北京102606；

2. 国核电力规划设计研究院，北京100095；

3. 浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江 杭州311268；

4. 上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海200063；)

摘要：以一款商业化的电机为基准，以基于有限元法的遗传算法为优化设计工具，并使用结构力学有限元校核设计了转子内薄弱区域结构，最终优化设计得到一款各方面性能均优异的永磁辅助同步磁阻电机。通过对比新设计电机与基准电机的效率云图和运行特性曲线，证实了新电机是一款可以直接替代基准电机应用的极具竞争力的新产品。

关键词:效率云图； 磁场有限元； 机械强度； 优化设计； 永磁辅助同步磁阻电机

0引言

随着化石燃料逐渐枯竭以及使用化石燃料所带来的温室气体排放，以及雾霾天气也被指与过度使用化石燃料有关，因此节能减排渐成为各国政府与各大企业关注焦点。现阶段，以汽车为首的交通工具所消耗的能源占据了总能源消耗的很大比例，以美国为例，全社会全年能源的28%被交通工具消耗[1]。若要减小对化石燃料依赖，推广各类电动汽车是一个重要解决方案[2-5]。广义的电动汽车包括混合动力汽车(混动，HEV)、插电式混合动力汽车(插电混动,PHEV).电池供电纯电动汽车(纯电动，BEV)等驱动系统中使用电机作为驱动源之一的汽车[4]。

作为电动汽车核心部件的电机占有举足轻重的地位，须满足如下要求[6]： 高转矩密度和高功率密度；在起动、低速和爬坡时高转矩，高速巡航时有高功率；宽调速范围，短时过载能力强；宽转速转矩范围内具有较高的效率；高可靠性，高安全系数；造价合理。目前各类电动汽车用电机的主要类型有永磁同步电机、感应电机和开关磁阻电机等[6-7]。永磁电机以内置永磁式较为常见[2-6]，以丰田PRIUS为代表[8-12]，该种电机具有高效率和高功率密度等优点。感应电机具有结构简单、制造工艺成熟、机械强度好、可靠性高等优点，在美国豪华车品牌Tesla中被使用[2-9]，但感应电机也有着综合效率低、转矩密度低等不可忽视的不足。开关磁阻电机结构简洁、可靠性好及控制简单，特别适合高速、高温等场合使用，但其固有的高转矩脉动、低功率密度和低功率因数等不足也限制了其应用[2]。永磁辅助同步磁阻电机(简称PMa电机)是一种极具潜力的电机，但目前还没有被大规模应用。PMa电机，是指辅以磁钢来提高性能的磁阻同步电机，所输出的转矩不仅包括永磁转矩，也包括较大比例的因磁路不对称引起的磁阻转矩，通过精心设计，此种电机有可能兼具内置永磁电机和磁阻电机的优点[13-23]。辅助永磁可以采用成本低廉的铁氧体以获得良好的性价比，也可采用性能较好的稀土永磁材料而得到更好的性能。本文将试图以丰田PRIUS 2010电机(下称基准电机)为基础设计一款新电机，使用与其相同的定子外圆和磁钢用量，通过优化设计转子上磁障的大小、层数、排列组合方式，具有比基准电机更好的电磁性能、相当的机械强度。

1基准电机分析及有限元验证

作为研究参照，本文以PRIUS 2010主驱动电机作为基准电机进行了分析。该电机的基本参数如表1所示。

图1所示的是基准电机一个极的截面图。对该电机进行有限元建模，并进行了空载、负载和效率云图等多项目的分析。美国橡树岭国家实验室对该电机进行了详细的拆解和分析，并出版了正式报告[12]。本文将有限元分析结果与测试数据进行对比，以验证计算方法的正确性，并以此有限元计算方法为工具进行新结构电机的优化设计。

表1　基准电机参数

图1　基准电机截面图

1.1堵转条件下转矩分析

为了测试电机的转矩输出能力，文献[12]设计测试了基准电机的堵转转矩，其测试台架如图2所示。获得了基准电机在不同电枢电流下的一系列转矩-位置曲线。

图2　测试台架[12]

本文使用有限元法对该测试过程进行了仿真，得到了与测试结果相对应的一系列转矩-电流角特性曲线，计算与测试对比结果如图3所示。

在图3图例中，T表示测试结果，S表示仿真结果。可以看出，当定子电流小于150A时，测试结果与仿真结果吻合度非常好。当电枢电流为250A时，测试结果与仿真结果部分吻合较好，部分出现较大偏差。总体上计算与测试结果基本一致，证明了计算模型及有关参数的选择、计算方法是可靠可信的。

图3　静态转矩-转子位置关系试验与仿真对比

1.2效率云图

驱动电机与普通工业用途电机不同，驱动电机运行时的转速转矩随车速和路况的变化而变化，即电机可能运行的工况是一系列宽范围的转速和转矩组合。不同的转速与转矩的组合，其运行效率也是不同的。为了准确地反映电机的效率特性，需要使用效率云图来进行描述。测试与仿真结果如图4所示。图4(a)是由美国橡树岭实验室实际测试得到的，图4(b)由计算仿真得到。对比测试和计算得到的效率云图发现，两者具有很好的吻合度。对比发现在低速、低转矩区域有较大差异，这可能是由电机铁耗模型、机械损耗的处理、电机控制方案与仿真使用方案偏差等引起。总体上，仿真结果与实际测试结果是非常接近的，可以认为仿真方法能够较好地体现电机的实际情况。后续分析均使用与此相同的方法，故认为后续的分析结果也是可靠的。

图4　基准电机效率云图

2PMa电机优化设计

2.1优化设计方法及假定条件

本文将依照基准电机的外部参数设计一款PMa电机，图5所示的即是一款三层磁障的PMa电机。此处优化设计的基础是基准电机，新设计电机在如下方面与基准电机保持一致：

图5　参数化建模及优化结果

(1) 定子外圆、定子槽面积、定子绕组参数；

(2) 磁钢使用量；

(3) 气隙长度、电机轴向长度。

使用上述条件，保证了新设计电机与基准电机在性能、材料费用上具有较高的可比性，方便对设计方案进行评估。

在保证上述参数不变的基础上，电机转子结构可进行很大程度上的自由变动，主要体现在以下方面：

(1) 气隙半径长度；

(2) 在保证平行齿条件下的定子槽宽，槽深由槽面积和槽宽决定；

(3) 磁钢的厚度、各磁钢的宽度，各层磁钢间的厚度；

(4) 径向磁障厚度、倾角，各层磁障间的厚度；

(5) 最内层磁钢与轴间的距离，以及由此决定的轴的半径。

为保证良好的可对比性，在初步优化阶段只改变转子内的拓扑结构，故以最大转矩为目标，将上述(3)~(5)所列得的共7个参数设定为粗略的范围，使用遗传算法进行优化。当遗传算法计算过程平稳后，即得到较为优化的结构，如图5(b)所示。

2.2优化结果及局部结构调整

2.2.1磁障层数的确定

磁障的层数可有很多层，本文首先优化了3层磁障结构，以此为基础研究1层、2层和4层结构时的电机性能。转速转矩曲线如图6所示。

图6　不同磁障层数时的转速转矩曲线

由图6可以看出，通过对结构的优化设计，新结构电机的输出转矩均可大于基准电机。当磁障层数为2层或3层时，两者的转速转矩曲线几乎完全重合，由此可以认为当前的基本尺寸约束下磁障层数大于2时已经无法大幅提升电机性能。磁障层数愈多，加工工艺性愈差，兼顾电机性能和结构工艺性要求，可认为2层磁障是较为合理的布置，后续分析均以此结构为基础。

2.2.2气隙半径的确定

得到转子结构方案后，考虑气隙半径及定子槽型的变化进行第2步优化。第2步优化时以第1步优化为基础，即设定转子上结构参数变化范围时参照第1步优化得到的结果，设定一个较小的变化范围以提高优化速度。将上述(3)~(5)所列得的共7个参数设定为粗略的范围，使用遗传算法进行优化。需要说明的是，事实上可以只进行第2步优化，设置较宽的各结构参数可变化范围进行优化，但这需要大量的计算时间。通过第2步优化得到气隙直径φ约为180mm，与第1步优化(φ固定为161mm)结果对比如图7所示。此二种结构在定子绕组和永磁用量等关键参数相同的情况下，对比转矩输出能力如图7所示。由图7中可以看出，通过优化气隙半径，使得电机的负载能力提升了4%。故而可以认为新得到的电机结构可以作为一个较优的备选方案进行机械强度校核计算，以期得到一款可应用于生产实际的电机结构。

图7　不同气隙半径条件下转速转矩曲线

3机械强度设计及转子结构微调

3.1基准电机机械强度分析

基准电机的最高转速可达13500r/min，强大的离心力有可能破坏转子上较为薄弱的磁桥等区域。新设计的电机机械强度需以基准电机为参照，保证薄弱区域的最大应力不大于基准电机的薄弱区域的应力值。

使用Ansys软件计算得到基准电机在最高转速下的转子上应力分析如图8所示，最大应力出现在磁极中心的隔磁桥上，其最大值为249MPa。

图8　基准电机转子机械强度分析

3.2新电机分析

由图5(b)可知，在此结构下径向磁障与切向磁障间，以及切向磁障中间均非常薄弱，需合理设置磁桥以保障结构安全。在磁障两端亦需做圆角处理以防止应力集中，同时需综合考虑圆角后漏磁场的增加可能对电机性能造成的影响。通过逐步调整各磁桥的形状及圆角尺寸，该新电机的定转子结构如图9所示。

采用与3.1节相同的假定条件进行机械强度校核设计，调整仿真时的电机转速使得转子上最大应力≤249MPa，得到电机的转速为12530r/min，约为基准电机的93%。此时转子内的应力分布如图10所示。由图10可以看出，转子上最为薄弱区域位于切向磁障的中心隔磁桥。

图9　改进结构的PMa电机

图10　PMa电机转子机械强度分析

4新电机电磁性能与基准电机对比

参照1.2节中计算基准电机效率云图使用的电压、电流、定子电阻与端部电感等参数，计算得到新设计电机的效率云图如图11(a)所示。与图4(b)所示的基准电机效率云图对比发现，新设计PMa电机的效率高于95%的运行区间比基准电机的区间更大，是因为磁钢的作用发挥更充分；但在高速区域的效率均低于基准电机，是因为在高速区域时需要更多的弱磁电流，铜耗增加，导致效率降低较为明显。由此可以看出在设计有弱磁需求的电机时，要协调考虑高效与弱磁后效率变差的问题。

图11(b)所示的是PMa电机和基准电机的转速转矩、转速功率曲线对比。从图11(b)可以看出，新设计PMa电机的最大转矩与基准电机相比高出了7.5%，且基速也略高于基准电机，故其最大功率明显高于基准电机，约15.15%。若使用基准电机所配的传动系统，则新设计PMa电机动力更为充沛，可以提供更好的低速加速效果。新设计PMa电机在高速区时需要更多的弱磁电流，故其在最高转速时的最大输出转矩比基准电机低了4%。结合3节机械强度分析可知，为获得与基准电机相同的安全系数，新设计PMa电机的最高运行速度需要降低7%。

图11　PMa电机运行特性

5结语

本文以丰田PRIUS驱动电机为基准电机，以完全替代基准电机为目的，全新设计了一款新结构PMa电机。在保持热负荷不变、磁钢用量相同的前提下，通过对气隙半径、转子内磁障层数、转子上其他组件结构进行优化设计，达到了转矩密度更大、功率密度更高的设计目的。考虑到高速运行时的安全需要，校核分析了基准电机在全速时的应力分布，并研究了PMa电机在保证相同安全系数前提下可以达到的最高速度。针对驱动电机的运行特点，对比研究了PMa电机与基准电机的效率云图，指出了电机设计时要充分考虑发挥磁钢作用与弱磁作用时效率变差的问题。总的来说，本文设计的PMa电机，在不增加材料费用、不改变外部散热条件和驱动装置的条件下，几乎可以完全替代基准电机，实现相同的驱动能力。

【参 考 文 献】

[1]DAVIS S C， DIEGEL S W， BOUNDY R G， et al. 2013 Vehicle technologies market report[G]. Oak Ridge National Laboratory， 2014.

[2]BOLDEA I， TUTELEA L N， PARSA L， et al. Automotive electric propulsion systems with reduced or no permanent magnets： an overview[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2014，61(10)： 5696-5711.

[3]CHAN C C. The state of the art of electric and hybrid vehicles[C]∥Proceedings of the IEEE， 2012，90(2)： 247-275.

[4]CHAN C C， BOUSCAYROL A， CHEN K， et al. Architectures and modeling[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2010，59(2)： 589-598.

[5]HANNAN M A， AZIDIN F A， MOHAMED A. Hybrid electric vehicles and their challenges： a review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2014，29(1)： 135-150.

[6]ZHU Z Q, HOWE D. Electrical machines and drives for electric， hybrid， and fuel cell vehicles[C]∥Proceedings of the IEEE， 2007，95(4)： 746-765.

[7]PELLEGRINO G， VAGATI A， BOAZZO B， et al. Comparison of induction and PM synchronous motor drives for EV application including design examples[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2012，48(6)： 2322-2332.

[8]KIYOTA K， KAKISHIMA T， CHIBA A. Comparison of test result and design stage prediction of switched reluctance motor competitive with 60-kW rare-earth PM motor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2014，61(10)： 5712-5721.

[9]DORRELL D G，KNIGHT A M， EVANS L， et al. Analysis and design techniques applied to hybrid vehicle drive machines-assessment of alternative IPM and induction motor topologies[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2012，59(10)： 3690-3699.

[10]CAI H W， GUAN B， XU L Y， Low-cost ferrite PM-assisted synchronous reluctance machine for electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2014，61(10)： 5741-5748.

[11]TAKENO M， CHIBA A， HOSHI N， et al. Test results and torque improvement of the 50-kW switched reluctance motor designed for hybrid electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2012，48(4)： 1327-1334.

[12]BURRESS T A， CAMPBELL S L， COOMER C L， et al. Evaluation of the 2010 Toyota Prius Hybrid Synergy Drive System[R]. Oak Ridge National Laboratory March， 2011.

[13]BOLDEA I， FU Z X， NASAR S A. Performance evaluation of axially-laminated anisotropic(ALA) rotor reluctance synchronous motors[J]. IEEE Trans Ind Appliant, 1994(30): 977-985.

[14]MATSUO T, LIPO T A. Rotor design optimization of synchronous reluctance machine[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 1994，9(2)： 359-365.

[15]VAGATI A， PASTORELLI M， FRANCHESCHINI G， et al. Design of low-torque-ripple synchronous reluctance motors[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 1998，34(4)： 758-765.

[16]ARMANDO E， GUGLIELMI P， PELLEGRINO G， et al. Accurate modeling and performance analysis of IPM-PMASR motors[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2009，45(1)： 123-130.

[17]HO K W， SOO K K， JOO K S， et al. Optimal PM design of PMA-SynRM for wide constant-power operation and torque ripple reduction[J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2009，45(10)： 4660-4663.

[18]NATEGH S， WALLMARK O， LEKSELL M， et al. Thermal analysis of a PMaSRM using partial FEA and lumped parameter modeling[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2012，27(2)： 477-488.

[19]GUGLIELMI P， BOAZZO B， ARMANDO E， et al. Permanent-magnet minimization in PM-assisted synchronous reluctance motors for wide speed range[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2013，49(1)： 31- 41.

[20]OOI S， MORIMOTO S， SANADA M， et al. Performance evaluation of a high-power-density PMASynRM with ferrite magnets[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2013，49(3)： 1308-1315.

[21]MORIMOTO S， OOI S， INOUE Y， et al. Experimental evaluation of a rare-earth-free PMASynRM with ferrite magnets for automotive applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2014，61(10)： 5749-5756.

[22]OBATA M， MORIMOTO S， SANADA M， et al. Performance of PMASynRM with ferrite magnets for EV/HEV applications considering productivity[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2014，50(4)： 2427-2435.

[23]李新华，阮波，徐竟成.电动大巴永磁辅助磁阻同步电动机仿真分析[J].微特电机，2014，42(3)： 1-6.

A PM-assisted Synchronous Reluctance Machine Design for

New Energy Electric Vehicle Application

ZHANGJian1，WUYouhua3，YAOBinglei4,CHENWeihua4，DOUNa2

(1. Beijing Electric Vehicle Co., Ltd., Beijing 102606, China;

2. State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100095,China；

3. Zhejiang GEELY Automobile Research Institute Co.,Ltd., Hangzhou 311228, China;

4. Shanghai Electrical Apparatus Research Institute(Group) Co.，Ltd., Shanghai 200063, China)

Abstract：A commercial machine as the benchmark was took, used the tool of optimization design method involving genetic algorithm based on finite element method, meanwhile, applying the mechanical finite element analysis to check out the breakpoint of the rotor topology. Finally, obtained a PMa SynRM machine with great performance. By comparing the efficiency maps and operating characteristics of the new designed PMa machine and the benchmark, it’s confirmed that the new machine was a competitive one which could be used to replace the benchmark directly.

Key words：efficiency map; magnet field finite element method; mechanical strength; optimization design; PM-assisted synchronous reluctance machine

收稿日期：2015-07-29

中图分类号：TM 351

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)01- 0077- 06

作者简介：张健(1983—)，男，工程师，研究方向为电动汽车驱动电机设计与性能评估。

*基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(JB2013090)