永磁同步电动机不同转子结构的性能研究
来源：常见问题 发布时间：2024-10-19 07:31:13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、是不是满足高性价比要求，本文将针对这些热点问题进行详细的分析。
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，定子影响大多数表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。永磁转子按结构大体上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。
表贴式交直轴电感接近相等，其凸极比ρ=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，大致上可以分为ρ>
1和ρ
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Te的计算公式如下：
从式(2)中能够准确的看出，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所组成。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。
式中：N为每极线圈匝数；B为每极气隙磁密；S为每极磁通面积。又根据电感差：
从式(3)～式(6)能够准确的看出，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、每极磁通面积和凸极比成正相关关系。
本文以某款国产汽车电机的整体的结构为例，其具体性能参数指标如表1所示，进行典型规格优化设计。
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查与研究，结合理论研究成果，采用磁链、凸极比均不一样的转子结构可以进行仿真对比，汇总数据。然后针对仿真数据来进行分析，分别计算最大输出功率、最大转矩、反电动势系数KE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。
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。
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。
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：
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。
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 A)，电机弱磁初始角按45°进行扫描分析。
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。
将图3～图7的计算结果汇总，总结出如图8所示的T-n曲线对比图。从中能够准确的看出，相同定子参数下，不同转子在恒转矩区能产生的转矩大小排序如下：
为了更好地分析问题，我们将计算结果进一步对比，分别计算单位体积磁钢能产生的功率和反电动势系数值，具体结果如表3所示。
从表3能够准确的看出，对于凸极比接近的方案1和方案5，方案1的指标明显不如方案5。再从方案2、方案3和方案4对比来看，凸极比小于1的转子相对凸极比大于1的转子明显没有优势；相反，凸极比大于1的转子结构有转子材料利用率高的优势。
综上，根据大数据计权排名原则，方案4无论是功率密度还是转矩密度都有竞争优势，其单位体积磁钢产生的反电动势系数值也较高，是5种方案中最优方案之一。
从本文的分析过程中不难发现，在相同条件下，对于内置式永磁同步电动机，提高每极磁通、提高凸极比仍然是提高功率、转矩密度的首要手段。
从本文的分析过程中不难发现，永磁同步电动机在提高性能的同时，兼顾成本控制问题仍是高性能永磁电机绕不过去的弯，性能成本兼优的电机才是市场的必然选择。
驱动系统。在永磁同步电动机优化过程中，需考虑控制策略，比如最大转矩电流比控制、弱磁控制、最大效率控制等。责任编辑：彭菁
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