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电动汽车用低成本铁氧体永磁辅助同步磁阻电机
摘要：提出了一种优化设计的铁氧体永磁（PM）辅助同步磁阻电机（PMaSynRM），以验证其在电动汽车应用中的可行性。以普锐斯（Prius）稀土内置式永磁电机为参照，通过理论研究和实验测试，验证了优化设计的永磁同步电磁阻机性能与参照永磁电机接近，成本更低。
关键词: 铁氧体，内置永磁体（IPM），永磁体（PM）辅助，纹波，同步磁阻电机（SynRM），转矩。
1． 引言
稀土内置式永磁（IPM）电机的性能非常适合电动和混合动力电动汽车的牵引驱动系统[1]–[8]。然而，稀土永磁材料的稀缺性和高成本在汽车应用中存在很大的问题和严重的阻碍。据估计，稀土永磁同步电机的材料成本占电机总成本的65%以上。对稀土永磁问题的不同解决方案进行研究[9]–[13]表明。优化设计的具有先进控制的同步磁阻电机（SynRM）是一个有潜力的选择[14]–[19]。与稀土永磁同步电机相比，它具有成本低、易于制造等优点。由于转子中没有使用昂贵的永磁材料，因此同步磁阻电机的材料成本显著降低。此外，由于同步磁阻电机的转子仅由铁片制成，因此同步磁阻电机的制造方法与传统的感应电机类似。
同步磁阻电机面临两个主要缺点：1）低转矩密度；2）高转矩波动。为了解决这两个问题，我们对转子的磁结构进行了优化[20]–[23]。这些研究人员在过去的二十年中改进了同步磁阻电机的性能。如果设计得当，同步磁阻电机的性能与感应电机的性能相当[20]–[25]。通过将磁铁嵌入转子，同步磁阻电机的转矩可以进一步提高[10]、[26]、[27]。
假设稀土永磁问题一直存在，优化设计的铁氧体永磁辅助同步电机（PMaSynRM）可能是一个很好的解决方案，特别是对于性能要求高、成本敏感的电动和混合动力电动汽车。
本文以一台典型的稀土内置式永磁电机（丰田PriusII型发动机）为参照，研究了进一步提高同步电机性能的可能性。我们从评估由于普锐斯电机转子凸度的输出磁阻转矩开始。以此我们揭示了一个事实，即所谓的稀土内置式永磁电机本质上是一个永磁电机和一个同步磁阻电机的混合电机。在PriusII电机中，磁阻转矩对总转矩产生的贡献是巨大的（50%）。对PriusII型电机的磁场分布进行了详细的研究，以寻找在不使用稀土永磁同步电机的情况下提高磁阻转矩的可能解决方案。接下来，改变转子的磁结构，看如何改进磁场，使其在不插入稀土永磁材料的同步磁阻电机中，利于磁阻转矩的产生。通过对同步磁阻电机的优化，研究了将低成本铁氧体插入永磁同步电机转子进一步提高输出转矩的可行性。优化过程的两个主要目标是提高转矩输出和降低转矩波动。
采用有限元方法对设计进行了验证，并对同步磁阻电机和永磁辅助同步磁阻电机的高非线性特性进行了处理。从性能和成本两方面分析讨论了用优化设计的永磁辅助同步磁阻电机替代电动汽车和混合动力汽车的内置式永磁电动机。设计、制造和测试了一台实用样机。实验结果表明优化后的永磁辅助同步磁阻电机设计是成功的。
2．参照稀土内置式永磁电机
第二代丰田普锐斯混合动力电动汽车（PriusII型汽车）使用的稀土内置式永磁电机[7]、[28]–[30]将作为本研究的参照。
2.1.参照稀土内置式永磁电机及其转矩
参照稀土内置式永磁电机的结构如图1所示。转子由一堆内部插入稀土永磁材料的薄铁片组成。
图1 参照电机结构（Prius II IPM）
稀土内置式永磁电机产生的转矩可以通过式（1）计算
（1）
在（1）中，稀土内置式永磁电机d轴与电机内永磁体轴向对齐。稀土内置式永磁电机的转矩产生由两个部分组成：一个是由于永磁体产生磁链和定子电流之间的相互作用，另一个是由于转子凸极比。然而，应注意的是，通常情况下，两个转矩分量没有共同的相位角，两个转矩分量都可以达到其额定值。
通过从参照电机上移除永磁体，如图2所示，稀土内置式永磁电机被简化为同步磁阻电机，本文将其命名为“电机B0”。
图2 电机B0结构
由于电机B0从混合电机减少为纯同步磁阻电机，产生的转矩量的表达式也发生了变化，即：
（2）
Prius II电机和电机B0的物理尺寸和操作条件见表1。
表1 参照电机（Prius IPM）和电机B0尺寸规格表
使用表1中规定的电流，通过有限元法计算出每台电机产生的转矩量。计算出的转矩与定子电流相位角之间的关系如图3所示，图4为产生额定转矩时的转矩脉动。
图3 参照电机（Prius IPM）和电机B0转矩
图3 参照电机（Prius IPM）和电机B0额定转矩脉动
从有限元评估中可以注意到几个重要的数据：1）参照稀土内置式永磁电机的额定转矩为305 N·m，对应定子电流相位角53◦；2）纯磁阻电机的额定转矩为144 N·m，对应定子电流相位角57◦；3）仅由电机磁阻产生的转矩占参照电机总转矩的近50%。；4）磁阻引起的转矩脉动较大，约为额定磁阻转矩的36%；5）参照电机的转矩脉动主要是由磁阻转矩中的纹波分量引起的。
作为参照稀土内置式永磁电机的副产品，磁阻转矩的产生似乎没有得到优化，因此有可能增加磁阻转矩的产生量。然而，相应的磁阻转矩脉动也会增大，最小化磁阻转矩脉动将是一个挑战。
2.2.电机B0磁场分布
用有限元法计算了B0电机的磁力线分布和磁场密度，如图5，6所示。这些图分别显示了定子磁动势（MMF）矢量与转子q轴（最低磁阻）和d轴（最高磁阻）对准的情况下的结果。
通过观察图5（b）和图6（b），可以看出，在这两种情况下，转子铁心的磁场密度都很低，特别是在标注的圆形区域。这一观察表明，这一观察表明，在不影响q轴磁力线的情况下，磁通密度非常低的区域可以用非磁性材料（如空气）代替。同时，d轴上的磁通量将显著减小。因此，理想情况下显著增加凸度（Ldsminus;Lqs），如果进行这种改变，则可以实现磁阻转矩的提升。
图5 MMF对准q轴（0◦）时的磁场分布（a）磁力线；（b）磁场密度
图6 MMF对准d轴（90◦）时的磁场分布（a）磁力线；（b）磁场密度
当定子磁动势处于两个极端情况之间的不同位置时，还计算了通过单极气隙的磁通量之和，结果如图7所示。d轴和q轴上的磁通量之间的差异约为0.028wb。
图7 电机B0每极磁通量
3.同步磁阻电机优化
前一节的结果被用来优化同步磁阻电机中的磁场。为了增加同步磁阻电机产生的转矩，从公式（2）可以明显看出，同步磁阻电机的磁性结构需要设计为使Ld和Lq（或磁通量差）之间的差异尽可能大。由于每极磁通量的总和与相关电感成正比，在下面的计算中，使用气隙中每极磁通量，而不是电感。用磁通量而不是电感来描述磁场，对于用有限元法进行磁场分析的电机设计特别有意义。
3.1.磁阻对转矩产生的影响
如第2节所述，图6（b）中转子铁心的圆形区域可以用空气代替，这可以通过在图6（b）中指定的位置添加一个磁屏障（例如空气）来完成。如图8所示，对转子叠片进行了预期更改。有这种变化的同步磁阻电机在本文中称为“电机B1”。
图8 电机B1磁力线分布（a）q轴对准；（b）d轴对准
计算了不同电流角下的磁通量，结果如图9所示，每极0.03至0.075 wb。
图9 电机B1每极磁通量
图10 电机B1转矩
通过对比图7和图9，可以提取气隙中磁通量的基本成分。q轴磁通量的基波分量增加了1.3%，而d轴磁通量的基波分量减少了18.4%。因此，d轴和q轴之间的磁通量差异增加了35.7%，即从0.028到0.038 wb；因此，磁阻转矩的产生预计将增加35.7%。利用有限元法，通过图10所示的转矩曲线验证了预测的转矩增加。将图10中的结果与图3中的结果进行比较，在没有改变转子叠片的情况下，额定磁阻转矩从144 N·m（电机B0）增加到194 N·m（电机B1），增加了34.7%。该结果接近预测值（35.7%）。此外，产生额定磁阻转矩的电流相位角已从57◦移到65◦。
3.2.磁肋尺寸对转矩产生的影响
由于磁肋[如图8（b）所示]为d轴磁通量提供了磁阻较小的路径，因此设计较薄的磁肋以产生较高的磁阻转矩是合理的。如图8（b）所示，从定子铁心开始的一个圆圈所突出的一些磁通量穿过磁肋，返回定子铁心，而没有深入转子铁心。由于这部分磁通量与所有磁通量的总和相比相对较小，因此可以预计，去除磁肋只会略微增加产生的磁阻转矩。创建了另一个模型，即“电机B2”，移除磁肋（见图11）。通过有限元分析，验证了新结构产生的转矩增加了8%，即从194 N·m增加到210 N·m。
图11 电机B2磁力线分布（a）q轴对准；（b）d轴对准
3.3.饱和对转矩产生的影响
如前所述，如果在转子叠片上增加更多的磁屏障，则可以将d轴磁通量降低到非常低的水平。然而，q轴磁通也可能同时显著下降。这对提高转子凸度是不利的。因此，一种解决方案是继续减少转子叠片中的铁量，直到q轴上的磁通量受到显著影响。为满足上述目标而设计的另一个转子结构如图12（a）（电机B3）所示。d轴的通量线分布如图12（b）所示。
图12 （a）电机B3结构。（b）d轴对准时磁力线分布
表2总结了B0、B1、B2和B3电机产生的额定转矩和d轴和q轴磁通量。
表2 电机B0、B1、B2和B3之间的比较
如表所示，电机B0、B1和B2产生的转矩均随q轴和d轴磁通量差异的增加而增加。但是，B3机的Q轴磁通量比B2机下降了5%。这是因为从转子去除了太多的铁材料，转子已经饱和了。因此假设的磁线性不再有效，B3电机的转矩增加不再遵循（2）的预测，。
3.4.转矩脉动最小化
高转矩脉动是同步电机的一个严重问题，转矩脉动与定子和转子齿槽之间的相互作用有关。齿槽的相互作用导致磁通量分布的变化，这取决于电机中定子和转子的相对位置。为了减小转矩脉动，在转子旋转时，保持每极相同数量的磁通量对于稳态运行是很重要的。
研究表明，转子槽开口宽度对转矩脉动有显著影响。如电机B3所示，特别是图12中的圆圈区域，在定子和转子齿之间流动的锯齿状磁通量会产生转矩脉动。
我们研究了两种抑制转矩脉动的方法：1）向转子铁心添加额外的磁通屏障，如图13（a）所示；2）在不添加新磁通屏障的情况下调整磁通屏障的开口宽度，如图13（b）（电机B4）所示。
图13 抑制同步转矩脉动的方法（a）附加磁通屏障。（b）磁通屏障开度调整（电机B4）
第一种方法可以降低q轴磁通线因为附加的磁通屏障将减小q轴磁通路径的宽度，但是同时使转子中的q轴饱和，从而导致一个冲突的解决方案。因此，我们选择磁通屏障开度调整作为解决方案，如电机B4和图13（b）所示。事实上，通过调节磁通屏障开口宽度，使锯齿形磁通量保持在最低水平，并使转子旋转时锯齿形磁通量的变化最小化。图14比较了B3电机与B4电机的额定转矩波形。很明显，转矩脉动被有效抑制，从51.8%降至15.7%。
图14 电机B3和B4之间的转矩波动波形比较
应该注意的是，如图13（b）所示，B4电机只是可以使用的几种可能设计之一。只要遵循本文所讨论的设计原则，就可以得到令人满意的设计。
4.同步磁阻电机插入铁氧体永磁材料
为了进一步提高同步磁阻电机转矩的产生，在同步磁阻电机转子中加入铁氧体永磁材料，而不是稀土永磁。使用的稀土和铁氧体永磁材料特性如表3所示。
表3 永磁材料性能比较
为了适应铁氧体永磁同步电机的安装，根据第三节讨论的原理修改了同步磁阻电机转子的磁结构，转子叠片如图15所示。
图15 铁氧体永磁辅助同步磁阻电机
Puris IPM电机和拟议铁氧体永磁辅助同步磁阻电机（如图15所示）的原材料的近似成本如表4所示，以供比较。
表4 近似原材料成本比较
如表4所示，Puris IPM电机总成本的60%左右由钕铁硼稀土永磁材料提供。使用铁氧体永磁同步电机将比同等额定的稀土永磁同步电机降低至少50%的总材料成本。
利用有限元法对所提出的铁氧体永磁同步电动机产生的转矩进行了评估。不同转矩电流角下的合成曲线如图16所示。结果表明，在相同相电流（177A rms）条件下，额定转矩值提高到258N·m，约为普锐斯IPM电机额定转矩的85%。磁阻转矩（218 N·m）占总转矩的84%。
图16 铁氧体永磁辅助同步磁阻电机转矩
到此，以Puris IPM电机为参照，已经证明了优化设计竞争性PMaSynRM的过程。这一过程通过同步磁阻电机（电机B0、B1、B2、B3和B4）的多次迭代进行说明，并通过有限元法进行评估，以说明设计中的逐步变化。低成本铁氧体永磁材料运用在同步电机中，进一步提高了其总转矩输出能力。表5总结了原始参照IPM电机（Prius II电机）和优化设计的PMaSynRM的性能。在表中，假设所有电机的铁芯损耗等于铜损耗。基于这一假设，计算了两
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